第3章电阻传感器 电阻式传感器是把非电阻物理量（如力、压力、位移、加速度、扭矩等）转换为电 阻变化的一种传感器。电阻式传感器主要包括：电阻应变式传感器、电位器式传感器 本章简要介绍电位器传感器的工作原理，着重阐述电阻应变式传感器的结构、原理。 3.1电位器传感器 被测量的变化导致电位器阻值变化的敏感元件称为电位器传感器。由于它的结构简 单，性能稳定，价格便宜，输出功率大，所以在很多场合使用。缺点是分辨率不高，易 磨损。 3.1.1电位器传感器的工作原理 常用电位器传感器的原理如图3-1所示。由图可以看出，电位器传感器由触点机构 和电阻器两部分组成。由于存在触点，为使其工作可靠，要求被测量有一定的功率输出 对于图3-1(a~©)来讲，触点是滑动的，存在着摩擦力。影响测量精度。一般来讲， 电位器传感器的电阻都是有级变化的（除图3-1(a,(b人(g)外），因此影响了测量 精确度。对于图3-1(a人(b,(g)）,当传感器输出环节的输入电阻与传感器本身电阻 相比很大时，传感器的输出电阻和输入位移间才有线性关系，否则是非线性的
第 3 章 电阻传感器 电阻式传感器是把非电阻物理量（如力、压力、位移、加速度、扭矩等）转换为电 阻变化的一种传感器。电阻式传感器主要包括：电阻应变式传感器、电位器式传感器。 本章简要介绍电位器传感器的工作原理，着重阐述电阻应变式传感器的结构、原理。 被测量的变化导致电位器阻值变化的敏感元件称为电位器传感器。由于它的结构简 单，性能稳定，价格便宜，输出功率大，所以在很多场合使用。缺点是分辨率不高，易 磨损。 常用电位器传感器的原理如图 3-1 所示。由图可以看出，电位器传感器由触点机构 和电阻器两部分组成。由于存在触点，为使其工作可靠，要求被测量有一定的功率输出， 对于图 3-1（a～e）来讲，触点是滑动的，存在着摩擦力。影响测量精度。一般来讲， 电位器传感器的电阻都是有级变化的（除图 3-1（a）、（b）、（g）外），因此影响了测量 精确度。对于图 3-1（a）、（b）、（g），当传感器输出环节的输入电阻与传感器本身电阻 相比很大时，传感器的输出电阻和输入位移间才有线性关系，否则是非线性的
第3章电阻传感器 ·35 因为电位器传感器输出功率较大，在一般场合下，可用指示仪表直接接收电位器传 感器送来的信号，这就大大地简化了测量电路。在图3-2中给出了电位器式传感器所用 不同指示仪表的典型电路 图3-2（ā）中采用了电流表，此种接法当输入量为零时，输出信号不为零，但是输 入与输出间呈非线性。图3-2(b)中采用了电压表，此种接法只有在电压表内阻比传感 器电阻大很多时，才能在输入与输出间存在线性关系，此外，该电路还能进行零位测量。 图3-2（©）为用流比计LB电路，其抗干扰能力强，输出可反应输入的极性。图3-2(d) 为采用电压表的桥形接法，线性输出，可反映输出极性。图3-2（©）也为桥形线路，但 采用了两只角位移输入的电位器传感器，因此它的灵敏度和测量范围与图3-2()所示 的相比皆大一倍。 3.1.2电位器函数转换器 利用绕线式电位器可以方便地制成函数转换器R=f(x)。例如，欲实现图3-2(a)】 中所示之变换要求先将R=(x)曲线在允许误差范围内进行直线逼近即用01、12、23、 34四段直线代替原来的曲线。然后，再按所选取的方案进行具体计算。实现电位器函 数转换的方案有三个，如图3-3(b~d)所示。由于曲线骨架较难制造，所以一般用等 截面骨架带有并联电阻的方案较易实现
3 ·35· 因为电位器传感器输出功率较大，在一般场合下，可用指示仪表直接接收电位器传 感器送来的信号，这就大大地简化了测量电路。在图 3-2 中给出了电位器式传感器所用 不同指示仪表的典型电路。 图 3-2（a）中采用了电流表，此种接法当输入量为零时，输出信号不为零，但是输 入与输出间呈非线性。图 3-2（b）中采用了电压表，此种接法只有在电压表内阻比传感 器电阻大很多时，才能在输入与输出间存在线性关系，此外，该电路还能进行零位测量。 图 3-2（c）为用流比计 LB 电路，其抗干扰能力强，输出可反应输入的极性。图 3-2（d） 为采用电压表的桥形接法，线性输出，可反映输出极性。图 3-2（e）也为桥形线路，但 采用了两只角位移输入的电位器传感器，因此它的灵敏度和测量范围与图 3-2（d）所示 的相比皆大一倍。 利用绕线式电位器可以方便地制成函数转换器 R f x = ( ) 。例如，欲实现图 3-2（a） 中所示之变换要求先将 R f x = ( ) 曲线在允许误差范围内进行直线逼近，即用 01、12 、23 、 34 四段直线代替原来的曲线。然后，再按所选取的方案进行具体计算。实现电位器函 数转换的方案有三个，如图 3-3（b～d）所示。由于曲线骨架较难制造，所以一般用等 截面骨架带有并联电阻的方案较易实现
361 传感器技术设计与应用 (g) (h) (a滑线式b)半导体(ed)骨架式(e0分段电式(gXh液体触点式x直线位移-角位移 图31 电位器传感器原理图
·36· 图 3-1 电位器传感器原理图
第3章电阻传感器 .37 (d) X-直线位移 :角位移 图32 电位器传感器接有不同指示仪表的典型电路 (b) (a)R时)曲线 ()曲线骨架式 (e)阶梯骨架式 (d)等截面骨架式
3 ·37· 图 3-2 电位器传感器接有不同指示仪表的典型电路
·38: 传感器技术设计与应用 图33电位器函数转换器示意图 在骨架宽度b一定的情况下，骨架高度h可按下式计算 h=kdR-尽-b 8P X-X (3-1) 式中d为电阻丝直径；k为长度填充系数的倒数：p为电阻系数：R、R,为3、4 点所对应之电阻值；X,、X,为3、4点所对应之位移；b为骨架宽度。 各段所示并联的电阻值；，可按一般的公式计算之 例如： if(R-R) -(R-R) (3-2) 式中，为在点(i-1)及i对应位置所并联的电阻值；-y为等截面支架上长度为 X,-X的电阻值；R、R为与点i、i-1所对应的电阻值。 由上可见，这种等截面骨架电位器函数转换器虽易实现，但是，它只保证了在 X,X,X,等点处的电阻值符合曲线，而当电刷（活动触点）处在各段中间位置时，由 于分流作用将引起一定的装置误差。 电位器函数转换器可以实现多种函数的转换，但是，它是属于专用的，由于构造简 单，价格便宜，故多用于要求精度不高的场合。 3.1.3电位器传感器的结构和噪声分析 3.1.3.1电阻丝 电位器传感器对电阻丝的要求是：电阻系数大、温度系数小，对铜的热电势应尽可
·38· 图 3-3 电位器函数转换器示意图 在骨架宽度 b 一定的情况下，骨架高度 h 可按下式计算 2 4 3 4 3 8 k d R R h b X X − = − − (3-1) 式中 d 为电阻丝直径； k 为长度填充系数的倒数； 为电阻系数； R3 、 R4 为 3、4 点所对应之电阻值； X3 、 X4 为 3、4 点所对应之位移； b 为骨架宽度。 各段所示并联的电阻值 i r ，可按一般的公式计算之。 例如： ( 1) 1 ( 1) 1 ( ) ( ) i i i i i i i i i r R R r r R R − − − − − = − − (3-2) 式中， i r 为在点 ( 1) i − 及 i 对应位置所并联的电阻值；r(i−1)i 为等截面支架上长度为 X X i i − −1 的电阻值； Ri 、 Ri−1 为与点 i 、i −1 所对应的电阻值。 由上可见，这种等截面骨架电位器函数转换器虽易实现，但是，它只保证了在 X1 , X2 , X3 等点处的电阻值符合曲线，而当电刷（活动触点）处在各段中间位置时，由 于分流作用将引起一定的装置误差。 电位器函数转换器可以实现多种函数的转换，但是，它是属于专用的，由于构造简 单，价格便宜，故多用于要求精度不高的场合。 3.1.3.1 电阻丝 电位器传感器对电阻丝的要求是：电阻系数大、温度系数小，对铜的热电势应尽可