线绕式线性电位器

（1）线性电位器的结构

线性线绕式电位器由均匀绕于骨架上的电阻丝和电刷组成，因此，骨架单位长度上的电阻值处处相等，输出电阻Rx或输出电压Uout与电刷位移x呈线性关系。其结构和工作原理分别如图5．3所示。

图5．3 线性线绕式电位器

为了使输入和输出信号呈线性关系，电阻丝的直径应该比较均匀；为了提高灵敏度，制成电阻丝的材料应该有较大的电阻系数；为了提高抗干扰能力，电阻丝应具有较小的电阻温度系数，同时抗腐蚀和氧化、硫化性要好；为了提高传感器的寿命和便于加工，电阻丝应具有较高的韧性和机械强度，同时耐磨性要好。

因为电刷要经常在电阻元件上滑动，因此要求电刷具有较高的弹性和耐磨性，同时导电性能要良好以减少电刷与电阻丝之间的接触电阻，从而提高测量精度。

骨架应具有与电阻丝材料相同或相近的线膨胀系数，以避免温度波动时电阻丝长度变化而导致电阻值变化的情况发生，同时要求制成骨架的材料绝缘性能要好，并具有足够的机械强度和散热性。

（2）线性电位器的空载特性和负载特性

电位器的输出电压Uout与电刷位移x之间的关系称为电位器的特性。电位器式传感器工作时，一般在输出端都接有负载，如图5．4所示。设电位器电阻元件的总电阻值为Rmax，负载的等效电阻值为Rf。当Rf≫Rmax时的工作状态称为空载运行（如直接使用万用表、示波器等仪器仪表测量电位器的输出电压时，因这些仪表的输入电阻非常大，可认为Rf为无穷大，远大于电位器的总电阻值Rmax），否则称为负载运行。

图5．4 线性线绕电位器式传感器工作原理

当空载运行时，Rf近似为无穷大，负载电流为零，根据欧姆定律和分压定理，可得电位器的空载特性为

式中 KR——线性电位器的电阻灵敏度；

Ku——线性电位器的电压灵敏度。

当负载电阻Rf不可忽略时（即认为Rf相对于Rmax不是无穷大时），由图5．4可得负载上的输出电压为

令电阻相对变化量，负载系数，则相对输出电压为

式（5．4）和式（5．5）称为电位器运行的一般形式，对线性电位器和非线性电位器都适用。由式（5．4）可知，当负载电阻Rf为无穷大时，Uout与Uin之间的关系如式（5．3）所示，为线性关系，即为空载特性；而当Rf相对于Rmax不是无穷大时，Uout与Uin之间的关系为非线性关系，即负载特性为非线性，如图5．5所示（图中m＝Rmax，为负载Rf系数Kf的倒数），由图5．5可知，负载电阻Rf越小，m越大，则非线性越大；而负载电阻Rf越大，m越小，则非线性越小。定义电位器的相对负载误差为

图5．5 电位器负载特性曲线族

式中 U0——电位器的空载输出电压；

Uf——电位器的负载输出电压。

负载误差曲线如图5．6所示，从图中可知，无论m为何值，电刷在起始位置和终止位置时负载误差都为零，当电刷处于中心位置时，负载误差最大；同时可以看出，m越大（即负载系数Kf越小），在相同行程下负载误差越大。因此，为了减小负载误差，应该增大负载电阻值。

（3）线绕式电位器的阶梯特性、阶梯误差和分辨率

线绕式电位器的电刷在电阻元件线圈上移动时，电位器的输出电阻值Rx在同一圈中是不变化的，只有电刷从上一电阻丝线圈移动到下一电阻丝线圈时，输出电阻Rx才会产生一个跃变。因此，电位器的输出电压Uout与位移x之间的关系不是连续线性的，而是一条呈阶梯形的折线，如图5．7所示。设电位器的线圈共有n匝，则电刷每经过一匝线圈，输出电压产生一个阶跃值，即

图5．6 电位器负载误差曲线族

图5．7 电位器的理想阶梯特性

该阶跃值称为主要分辨脉冲，需要注意的是，电位器的电刷长度不可能制成刚好等于两匝线圈之间的间隙宽度，因此，电刷在从任何一个线圈移动到下一线圈时，电刷都不可避免地要与两匝线圈都发生接触，从而在两匝线圈之间形成短路段（图5．7），于是电位器的实际匝数由n变为n－1匝，这使得在每个电压阶跃中还产生一个小阶跃，称为次要分辨脉冲，该脉冲的阶跃值为

图5．8 电位器的实际阶梯特性

式中，m为当前电刷所处的线圈匝数。因此，电位器的实际阶梯特性如图5．8所示。

从图5．7可知，在理想情况下，电位器阶梯特性曲线上的每个阶跃值都是相等的，因此，阶梯特性曲线中每个阶梯与电位器的理想特性曲线（见图5．5中m＝0的直线）之间的最大偏差也必然是相等的，这个偏差称为电位器的阶梯误差，其值为

电位器阶梯特性还可以用电压分辨率来描述，电压分辨率是指电位器输出电压的最大阶跃值与电位器的最大输出电压之比的百分数，对于具有理想阶梯特性的电位器，因为其每个输出电压阶跃值都是相等的，很明显，其理想电压分辨率为（1／n）×100%，例如，若Uin＝10V，n＝100匝，则ΔU＝0．1V，这意味着输出电压以0．1V的阶跃形式增加，即输出电压的最小变化为输入电压的1%，不能给出小于0．1V的电压变化。

阶梯误差和分辨率都是由线绕式电位器的工作原理所决定的，是一种原理性误差，是不可消除的，它们决定了线绕式电位器的工作精度。在实际工作中，为了减少阶梯误差和提高分辨率，通常需要采用小直径的电阻丝或增加骨架长度（即增大线圈匝数n）。