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如何進行角度傳感器(電位器)選型和正確使用
編輯:東莞市亚游AG官网電子科技有限公司   發布時間:2018-10-09

摘要 綜述角度傳感器(電位器)的基本概念、電氣性能參數及其測量方法, 側重介紹角度傳感器(電位器)
選型依據及使用注意事項。為整機廠線路設計, 工藝設計人員選型和正確使用角度傳感器(電位器)提供了依據。
關鍵詞 角度傳感器(電位器) 電氣性能 測量方法 選型原則
1 引言
角度傳感器(電位器)是一種通用的機電元件, 在儀器儀表和各種電子設備中已獲得廣泛應用。由於角度傳感器(電位器)品種、結構、安裝方式和技術參數繁多, 電路設計人員在設計選型時首先根據角度傳感器(電位器)在電路中的作用來確定性能指標。從經濟實用的觀點出發, 設計人員既要考慮到角度傳感器(電位器)的參數指標留有餘量, 又不能不切實際地提高指標要求。若所選角度傳感器(電位器)的參數指標不足, 將達不到設計要求或不能長期穩定工作。另外, 設計人員選型不當或不能正確使用、安裝, 也容易造成角度傳感器(電位器)性能下降, 結構受損甚至毀壞失效。合成碳膜角度傳感器(電位器)和玻璃釉角度傳感器(電位器)由於價格低廉和具有極強的通用性, 因而在彩色及黑白電視機、錄像機、音響設備、顯示器等電器中占有重要地位。為了增進角度傳感器(電位器)製造廠和上述應用領域的廣大設計人員、工藝人員之間的交流, 為電路設計、整機工藝工作中合理地設計、選型和在裝配中正確安裝、使用角度傳感器(電位器), 本文提供主要的參考原則。 
2 角度傳感器(電位器)的基本概念
21 角度傳感器(電位器)的定義
角度傳感器(電位器)是一種可調電子元件, 它靠動觸點在電阻體上移動, 從而獲得與角度傳感器(電位器)輸入電壓和動觸點位移(或轉角) 成一定關係的電壓輸出。
如圖1。
圖1 角度傳感器(電位器)原理示意圖
                                
22 角度傳感器(電位器)的分類
從構造形式來看, 角度傳感器(電位器)可分為線繞角度傳感器(電位器)和非線繞角度傳感器(電位器)兩大類。
(1) 線繞角度傳感器(電位器)是將電阻絲繞在金屬、陶瓷和塑料骨架上作為電阻元件, 具有電阻溫度係數低, 電阻值穩定性好, 功率負荷性大,工作壽命長等優點。但線繞電阻元件的主要缺陷是分辯力有一定階梯性, 同時多圈的電阻元件的感抗會呈現隨頻率增加而增加, 因此高頻性能差。此外, 還存在總阻值範圍窄等缺點。
(2) 非線繞角度傳感器(電位器)有合成膜角度傳感器(電位器)、玻璃釉角度傳感器(電位器)、導電塑料角度傳感器(電位器)等。
a 合成膜角度傳感器(電位器)是將炭黑、石墨和有機粘合劑、填充料等混合製成的漿料采用多種方法(如絲網印刷) 塗覆在基體上再經固化而製成的電阻膜作為電阻體。合成碳膜角度傳感器(電位器)能大規模生產, 價格便宜, 調節時噪聲較小, 優越的高頻性能, 還具有較小的電感量和分布容量, 且工作壽命長, 很少突然發生嚴重損壞, 總阻值範圍寬廣。線路設計人員總是首先想到選用碳膜角度傳感器(電位器)來作為在電子線路中改變電阻的經濟方法。但合成碳膜角度傳感器(電位器)的總電阻值隨時間和溫度變化較大, 抗潮濕的能力較差, 碳膜電阻元件的接觸電阻較大。
b玻璃釉角度傳感器(電位器)是將金屬(或其氧化物) 粉、玻璃釉等混合而成的漿料采用絲網
印刷等方法塗覆在陶瓷基體上, 經烘幹、高溫燒結而成的電阻膜作為電阻體。其優點有:總電阻值範圍寬廣, 且有很高的分辯力和良好的穩定性, 噪聲小, 頻率響應非常好, 遠遠超過100mhz。電阻溫度係數較小, 電阻元件表麵堅硬而耐磨, 工作壽命長。玻璃釉電阻元件越來越廣泛地應用於預調角度傳感器(電位器)中。
c1 導電塑料角度傳感器(電位器)是將炭黑、石墨和超細金屬粉、dap樹脂和交聯劑等混合而成的漿料采用絲網印刷等方法塗覆在陶瓷或特製塑料基體上而成的電阻膜作為電阻體。優點是接觸電阻變化小, 工作壽命很長。因為表麵特別光滑, 所以分辨力非常高, 即使動觸點在電阻體上循環運動數百萬次後, 仍不會產生明顯的摩擦力和磨損。對電阻元件加以修刻, 可使其線性度達0.1%的水平。動態噪聲非常小, 有良好的高頻工作性能, 適用於高增益伺服係統中。但導電塑料角度傳感器(電位器)耐潮濕性能較差, 穩定性不如玻璃釉角度傳感器(電位器), 動觸點額定電流小, 溫度係數介於線繞角度傳感器(電位器)和玻璃釉角度傳感器(電位器)之間。另外, 非線繞角度傳感器(電位器)還有金屬膜角度傳感器(電位器)、金屬體(箔) 角度傳感器(電位器)、有機實芯角度傳感器(電位器)、無機實芯角度傳感器(電位器)等。
23 角度傳感器(電位器)的基本安裝方式
插針式: 在一般的用途中, 可將角度傳感器(電位器)直接插入印刷電路板並進行波峰焊接。
軸套安裝: 在設計一些需要承受嚴重的機械振動和衝擊的結構時, 可采用軸套安裝的角度傳感器(電位器)。用軸套螺母和墊圈將角度傳感器(電位器)固定在底板上。
24 角度傳感器(電位器)在線路中的基本作用
角度傳感器(電位器)有兩種工作方式:
分壓器式(圖2) 和可變電阻器式(圖3)。
          
3 角度傳感器(電位器)的電氣參數
31 總電阻值
定義為角度傳感器(電位器)兩終端(1, 3 端) 之間的電阻值。標定任何角度傳感器(電位器)時, 都需要規定標稱阻值。同時應規定標稱阻值的允許偏差, 而總電阻值應在允許偏差範圍內。
測量總電阻值時, 一般采用數字歐姆表。在角度傳感器(電位器)有機械止檔時, 動觸點應盡可能靠近一個終端引出端。如果是連續旋轉的角度傳感器(電位器), 應將動觸點調節到與電阻元件工作段完全脫離為止。標準測試還規定了測量總電阻值的最高(直流) 電壓(見表1) , 以限製電阻體在測量過程中溫度無明顯上升。
各種類型角度傳感器(電位器)的總電阻值及其允許偏差典型值見表2。
角度傳感器(電位器)種類
合成碳膜
薄利釉
導電塑料
線繞
總阻值範圍ω
100~ 10m
10~ 5m
100~ 4m
10~ 100k
允許偏差%
±20, ±30
±20
±10, ±20
±1, ±5
32 終端電阻(零位電阻)
定義為當動觸點位於鄰近的止檔時, 動觸點引出端與該終端引出端之間獲得的最小阻值。連續旋轉的角度傳感器(電位器)沒有止檔, 不規定終端電阻。測量終端電阻時, 施加到角度傳感器(電位器)上的電壓應使動觸點電流不超過產品標準中規定的極限值。當動觸點位於止檔位置時, 1, 2 兩引出端之間的最小電阻值稱為前終端電阻,2, 3 兩引出端之間的最小電阻值稱為後終端電阻。
33 接觸電阻變化
定義為動觸點在規定的速度下移動時,動觸點與電阻體之間阻值的變化。接觸電阻是由於動觸點與電阻元件接觸不良引起的,表麵金屬氧化物, 硫化物等都能在觸點或電阻元件表麵形成, 這些薄膜起著絕緣層的作用, 並形成接觸電阻。接觸電阻會隨測量電流的大小而變化。接觸電阻變化還與元件的材料、動觸點材料、接觸表麵狀況及動觸點與電阻元件的接觸壓力有關。 
34 電阻溫度係數
定義為在規定的環境工作溫度範圍內, 給定的兩個溫度之間, 阻值的相對變化除以引起該變化的溫差及變化前的總電阻值(平均溫度係數) , 通常以10- 6℃- 1為單位。電阻溫度係數主要取決於電阻元件的材料和部件本身的具體結構。
r 2- r 1 = a *r 1* (t 2- t 1)
t 1、t 2 兩個溫度至少應相差25 ℃, 而且在每個溫度下均應有足夠的保溫時間。
各種類型角度傳感器(電位器)的電阻溫度係數典型值  表4。
角度傳感器(電位器)種類
合成碳膜
玻璃釉
導電塑料
線繞
a * 10^6
±1000
±250
±200
±50
35 額定功率
定義為在規定條件下能夠耗散的最大功率。它是在最低環境溫度到額定環境溫度範圍內, 能保證角度傳感器(電位器)連續正常工作的功率最大值。額定功率p = i 2r = u 2?r 。最大額定功率為線路設計人員說明角度傳感器(電位器)能夠安全耗散而不致損壞的功率數值, 各個具體角度傳感器(電位器)的使用方式會影響額定功率的最大允許耗散值。對於多數角度傳感器(電位器)來說, 額定功率的最大值是指當角度傳感器(電位器)作為分壓器使用的情況。因此, 在角度傳感器(電位器)的輸入端加上電壓時, 通過動觸點的負載電流值是不大的。角度傳感器(電位器)製造廠一般采用如圖6 所示的降功耗曲線。圖中當環境溫度在t1 和tmax之間的允許耗散功率由連接a、b 兩點的直線所構成的減負荷特性加以規定。而環境溫度在tm in和t1 之間的溫度下最大允許耗散功率均為額定功率。線路設計人員應嚴格遵守這一規定。
圖6 角度傳感器(電位器)降功耗曲線
          
  完整的額定功率的技術規範, 應規定安裝條件, 周圍環境是靜止空氣還是強迫對流。通常是用標準的安裝方法使給定的角度傳感器(電位器)放置在靜止空氣中的允許值。當角度傳感器(電位器)需要安裝在靠近發熱元件如功率晶體管、變壓器、大功率電阻等或鄰近另一角度傳感器(電位器)時, 應當減少允許耗散功率。產品上和性能數據表上規定的額定功率適用於角度傳感器(電位器)作分壓器用的情況。此時, 耗散功率可認為是沿整個電阻元件均勻分布的。而當角度傳感器(電位器)作變阻器或兩引出端連接方式應用時, 對應動觸點某一給定的調節位置,隻有一部分電阻元件是消耗功率的, 而且流過電阻元件的電流全部流過動觸點電路, 而動觸點和電阻元件之間的壓力接觸點並不總是能夠承受像電阻元件單獨承受的那樣大的電流。分壓器式接法的額定功率是假定動觸點電流可忽略不計的, 因此對於變阻器式接法, 必須限製其動觸點電流的最大允許值im= p?r t。式中p 為最大耗散功率; r t 為總電阻值。采用這個最大電流極限值, 即可保證角度傳感器(電位器)的最大功率不被超過。
各種類型角度傳感器(電位器)的額定功率範圍典型值  表5。
角度傳感器(電位器)種類
合成碳膜
玻璃釉
導電塑料
線繞
額定功率70℃/w
0.01--0.5
0.125—0.5
0.5--2
0.25--5
36 電阻變化規律
定義為角度傳感器(電位器)輸出電壓(v 122或v 223) 與輸入電壓(v 123) 的比值與動觸點所處機械位置(對於旋轉角度傳感器(電位器)是指轉角) 之間的關係。
通用角度傳感器(電位器)的電阻規律有如下幾種:
a1 直線規律: 規律a
b1 對數規律: 規律b
c1 反轉對數規律: 規律c
d1 超對數規律: 規律z
角度傳感器(電位器)製造廠也可根據整機廠特殊要求設計製作其他電阻變化規律的角度傳感器(電位器)。
37 耐久性
(1) 機械耐久性(耐磨壽命)
在規定的試驗條件下, 使角度傳感器(電位器)性能的降低程度保持在技術規範允許範圍內時, 角度傳感器(電位器)驅動機構得到的運轉周數(動觸點沿電阻元件工作道往返運行一次為一周)。
表6 各種類型角度傳感器(電位器)的耐磨壽命典型值
 
 
 
 
 
 
 
 
表6 各種類型角度傳感器(電位器)的耐磨壽命典型值
角度傳感器(電位器)種類
合成碳膜
玻璃釉
導電塑料
線繞

5000--25000
10000--30000
10^6—10^8
500--1000
 
 
(2) 電氣耐久性
在規定的負荷和動觸點不運動的試驗條件下, 角度傳感器(電位器)能連續正常工作而其性能保持在技術規範允許範圍內的時間。按iec 規定, 角度傳感器(電位器)的電氣耐久性為1 000 h。
 38 絕緣電壓
定義為在連續正常工作的條件下, 可以施加在角度傳感器(電位器)引出端和其外部導體之間的最大峰值電壓。對於多聯角度傳感器(電位器)來說, 應在每一聯引出端和其他各聯的引出端之間進行測量。在正常氣壓下絕緣電壓值應不小於電阻體極限電壓的 1.42 倍。
39 耐電壓
定義為加在角度傳感器(電位器)引出端和其外部導體之間; 多聯角度傳感器(電位器)應在每一聯的引出端和其他各聯的引出端之間; 帶開關角度傳感器(電位器)的開關引出端與角度傳感器(電位器)引出端和其外部導體之間的交流電壓(頻率為40~ 60hz) 施加1 m in, 不應發生損傷、火花、絕緣破壞。可將各引出端一起連接起來進行測量。耐電壓通常為交流100~1 000v , 對於具體產品, 其耐電壓在產品標準中給出。
4 角度傳感器(電位器)使用注意事項
線路設計人員和使用元件的工程技術人員在選擇和使用角度傳感器(電位器)時, 需要考慮到全部機械結構和電氣方麵的要求, 同時還應注意角度傳感器(電位器)的安裝和使用要求, 否則會影響使用性能和可靠性。選用角度傳感器(電位器)首先要以經濟的觀點來考察其性能指標, 也就是說, 要根據角度傳感器(電位器)在線路中所起的作用來確定哪些是重要的參數。對一些不重要的參數則不必過於苛求。例如對於預調角度傳感器(電位器)來說, 一旦調整好後, 一般不再調整,在相當長時間裏, 保持其原狀態工作。因此其耐磨壽命、動噪聲要求不高。預調角度傳感器(電位器)在電路中通常作變阻器調節電流用, 所以其接觸電阻變化、動觸點極限電流和接觸可靠性就顯得很重要。而對於設備、儀器麵板上使用的角度傳感器(電位器), 多起分壓器作用, 而且需要經常調節, 所以對耐磨壽命、動噪聲都有嚴格要求。對特殊用途的角度傳感器(電位器), 應根據其實際需要加以選擇。有的設計人員認為元件的所有電氣參數都應有較高指標, 才能保證其設計要求, 這是很不科學的。如有的設計師對預調角度傳感器(電位器)不但動噪聲按麵板角度傳感器(電位器)去要求, 甚至對電阻膜層和銀電極接處的突跳也視為不允許, 這就使設計同實際需要相脫離, 不僅缺乏科學性, 也缺乏經濟性。鑒於上述指導思想, 提出以下幾點使用中需要注意的問題:
(1) 應使角度傳感器(電位器)工作於額定功率範圍內。
由於設計、使用不當使功率耗散超過額定值時, 會造成角度傳感器(電位器)內部過熱而損壞。注意環境溫度對角度傳感器(電位器)的影響, 特別是在高溫情況下,負荷應根據產品標準規定的降功率曲線設計。
(2) 在使用中, 當允許直流電流通過角度傳感器(電位器)的動觸點時, 可能會出現陽極氧化的問題。這種情況下, 最好用負端連接元件, 用正端連接動觸點, 見圖9。
圖9 角度傳感器(電位器)引出端的連接
         
(3) 在使用角度傳感器(電位器)時, 應控製動觸點電流小於動觸點極限電流。除了保證線路設計正確外, 還不能隨意加大負載電流。在進行角度傳感器(電位器)檢測時, 如測量終端電阻或檢測角度傳感器(電位器)輸出時, 切勿使用普通三用表。因為三用表中的電源會形300~ 400 ma 的電流流過動觸點。該電流很可能會燒毀電阻元件。檢測角度傳感器(電位器)一定要用數字歐姆表。
(4) 在設計線路時, 對於預調角度傳感器(電位器), 應盡量使其動觸點處於總電氣行程的中段位置使用。應絕對避免在接近兩終端位置使用。最好避開前後終端30°轉角進行設計。在線路設計中, 往往需要設計一個串聯電阻, 改變此電阻阻值, 即可改變角度傳感器(電位器)動觸點的工作位置。當然應以合理選擇角度傳感器(電位器)的總阻值為前提。
(5) 在設計線路時, 應設計成角度傳感器(電位器)調節到某些位置時不能造成電路中電流過大的線路, 以免燒毀角度傳感器(電位器)或其他元件。
(6) 在角度傳感器(電位器)焊接時, 注意選用適當的溫度。並非溫度越高, 焊接速度越快, 質量就越好。僅需加上達到良好焊接所需的熱量。在波峰焊接時采用能保證良好的焊點的通過速度。加熱時間過長, 熱量過多, 有可能造成電阻元件與引出端之間連接損壞或電阻值漂移。另外一定要注意焊劑用量適中, 以免焊料浸入電位器, 造成額外噪聲甚至接觸不良。因此應考慮適當的保護措施, 在波峰焊接前讓助焊劑充分幹燥。
(7) 應盡量避免在有害物質的氣氛中使用角度傳感器(電位器), 如so2、nh3、堿溶液、油脂等, 以免引起電阻元件、塑料或金屬材料的腐蝕。
(8) 在安裝角度傳感器(電位器)時, 應安裝在平整的麵上。對軸施加的力、引出端的強度、終端止檔強度、螺母扭緊力矩等安裝要求都應符合角度傳感器(電位器)廠家的規定。
(9) 為了能獲得更好的品質, 應盡量按角度傳感器(電位器)的技術標準選擇
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