如何进行角度传感器（电位器）选型和正确使用

摘要　综述角度传感器（电位器）的基本概念、电气性能参数及其测量方法, 侧重介绍角度传感器（电位器）

选型依据及使用注意事项。为整机厂线路设计, 工艺设计人员选型和正确使用角度传感器（电位器）提供了依据。

关键词　角度传感器（电位器）　电气性能　测量方法　选型原则

1　引言

角度传感器（电位器）是一种通用的机电元件, 在仪器仪表和各种电子设备中已获得广泛应用。由于角度传感器（电位器）品种、结构、安装方式和技术参数繁多, 电路设计人员在设计选型时首先根据角度传感器（电位器）在电路中的作用来确定性能指标。从经济实用的观点出发, 设计人员既要考虑到角度传感器（电位器）的参数指标留有余量, 又不能不切实际地提高指标要求。若所选角度传感器（电位器）的参数指标不足, 将达不到设计要求或不能长期稳定工作。另外, 设计人员选型不当或不能正确使用、安装, 也容易造成角度传感器（电位器）性能下降, 结构受损甚至毁坏失效。合成碳膜角度传感器（电位器）和玻璃釉角度传感器（电位器）由于价格低廉和具有极强的通用性, 因而在彩色及黑白电视机、录像机、音响设备、显示器等电器中占有重要地位。为了增进角度传感器（电位器）制造厂和上述应用领域的广大设计人员、工艺人员之间的交流, 为电路设计、整机工艺工作中合理地设计、选型和在装配中正确安装、使用角度传感器（电位器）, 本文提供主要的参考原则。 

2　角度传感器（电位器）的基本概念

21　角度传感器（电位器）的定义

角度传感器（电位器）是一种可调电子元件, 它靠动触点在电阻体上移动, 从而获得与角度传感器（电位器）输入电压和动触点位移(或转角) 成一定关系的电压输出。

如图1。

图1　角度传感器（电位器）原理示意图

22　角度传感器（电位器）的分类

从构造形式来看, 角度传感器（电位器）可分为线绕角度传感器（电位器）和非线绕角度传感器（电位器）两大类。

(1) 线绕角度传感器（电位器）是将电阻丝绕在金属、陶瓷和塑料骨架上作为电阻元件, 具有电阻温度系数低, 电阻值稳定性好, 功率负荷性大,工作寿命长等优点。但线绕电阻元件的主要缺陷是分辩力有一定阶梯性, 同时多圈的电阻元件的感抗会呈现随频率增加而增加, 因此高频性能差。此外, 还存在总阻值范围窄等缺点。

(2) 非线绕角度传感器（电位器）有合成膜角度传感器（电位器）、玻璃釉角度传感器（电位器）、导电塑料角度传感器（电位器）等。

a 合成膜角度传感器（电位器）是将炭黑、石墨和有机粘合剂、填充料等混合制成的浆料采用多种方法(如丝网印刷) 涂覆在基体上再经固化而制成的电阻膜作为电阻体。合成碳膜角度传感器（电位器）能大规模生产, 价格便宜, 调节时噪声较小, 优越的高频性能, 还具有较小的电感量和分布容量, 且工作寿命长, 很少突然发生严重损坏, 总阻值范围宽广。线路设计人员总是首先想到选用碳膜角度传感器（电位器）来作为在电子线路中改变电阻的经济方法。但合成碳膜角度传感器（电位器）的总电阻值随时间和温度变化较大, 抗潮湿的能力较差, 碳膜电阻元件的接触电阻较大。

b玻璃釉角度传感器（电位器）是将金属(或其氧化物) 粉、玻璃釉等混合而成的浆料采用丝网

印刷等方法涂覆在陶瓷基体上, 经烘干、高温烧结而成的电阻膜作为电阻体。其优点有:总电阻值范围宽广, 且有很高的分辩力和良好的稳定性, 噪声小, 频率响应非常好, 远远超过100MHz。电阻温度系数较小, 电阻元件表面坚硬而耐磨, 工作寿命长。玻璃釉电阻元件越来越广泛地应用于预调角度传感器（电位器）中。

c1 导电塑料角度传感器（电位器）是将炭黑、石墨和超细金属粉、DAP树脂和交联剂等混合而成的浆料采用丝网印刷等方法涂覆在陶瓷或特制塑料基体上而成的电阻膜作为电阻体。优点是接触电阻变化小, 工作寿命很长。因为表面特别光滑, 所以分辨力非常高, 即使动触点在电阻体上循环运动数百万次后, 仍不会产生明显的摩擦力和磨损。对电阻元件加以修刻, 可使其线性度达0.1%的水平。动态噪声非常小, 有良好的高频工作性能, 适用于高增益伺服系统中。但导电塑料角度传感器（电位器）耐潮湿性能较差, 稳定性不如玻璃釉角度传感器（电位器）, 动触点额定电流小, 温度系数介于线绕角度传感器（电位器）和玻璃釉角度传感器（电位器）之间。另外, 非线绕角度传感器（电位器）还有金属膜角度传感器（电位器）、金属体(箔) 角度传感器（电位器）、有机实芯角度传感器（电位器）、无机实芯角度传感器（电位器）等。

23　角度传感器（电位器）的基本安装方式

插针式: 在一般的用途中, 可将角度传感器（电位器）直接插入印刷电路板并进行波峰焊接。

轴套安装: 在设计一些需要承受严重的机械振动和冲击的结构时, 可采用轴套安装的角度传感器（电位器）。用轴套螺母和垫圈将角度传感器（电位器）固定在底板上。

24 角度传感器（电位器）在线路中的基本作用

角度传感器（电位器）有两种工作方式:

分压器式(图2) 和可变电阻器式(图3)。

3　角度传感器（电位器）的电气参数

31　总电阻值

定义为角度传感器（电位器）两终端(1, 3 端) 之间的电阻值。标定任何角度传感器（电位器）时, 都需要规定标称阻值。同时应规定标称阻值的允许偏差, 而总电阻值应在允许偏差范围内。

测量总电阻值时, 一般采用数字欧姆表。在角度传感器（电位器）有机械止档时, 动触点应尽可能靠近一个终端引出端。如果是连续旋转的角度传感器（电位器）, 应将动触点调节到与电阻元件工作段完全脱离为止。标准测试还规定了测量总电阻值的(直流) 电压(见表1) , 以限制电阻体在测量过程中温度无明显上升。

各种类型角度传感器（电位器）的总电阻值及其允许偏差典型值见表2。

32　终端电阻(零位电阻)

定义为当动触点位于邻近的止档时, 动触点引出端与该终端引出端之间获得的最小阻值。连续旋转的角度传感器（电位器）没有止档, 不规定终端电阻。测量终端电阻时, 施加到角度传感器（电位器）上的电压应使动触点电流不超过产品标准中规定的极限值。当动触点位于止档位置时, 1, 2 两引出端之间的最小电阻值称为前终端电阻,2, 3 两引出端之间的最小电阻值称为后终端电阻。

33　接触电阻变化

定义为动触点在规定的速度下移动时,动触点与电阻体之间阻值的变化。接触电阻是由于动触点与电阻元件接触不良引起的,表面金属氧化物, 硫化物等都能在触点或电阻元件表面形成, 这些薄膜起着绝缘层的作用, 并形成接触电阻。接触电阻会随测量电流的大小而变化。接触电阻变化还与元件的材料、动触点材料、接触表面状况及动触点与电阻元件的接触压力有关。　

34　电阻温度系数

定义为在规定的环境工作温度范围内, 给定的两个温度之间, 阻值的相对变化除以引起该变化的温差及变化前的总电阻值(平均温度系数) , 通常以10- 6℃- 1为单位。电阻温度系数主要取决于电阻元件的材料和部件本身的具体结构。

R 2- R 1 = a *R 1* (T 2- T 1)

T 1、T 2 两个温度至少应相差25 ℃, 而且在每个温度下均应有足够的保温时间。

各种类型角度传感器（电位器）的电阻温度系数典型值  表4。

35　额定功率

定义为在规定条件下能够耗散的功率。它是在环境温度到额定环境温度范围内, 能保证角度传感器（电位器）连续正常工作的功率值。额定功率P = I 2R = U 2?R 。额定功率为线路设计人员说明角度传感器（电位器）能够安全耗散而不致损坏的功率数值, 各个具体角度传感器（电位器）的使用方式会影响额定功率的允许耗散值。对于多数角度传感器（电位器）来说, 额定功率的值是指当角度传感器（电位器）作为分压器使用的情况。因此, 在角度传感器（电位器）的输入端加上电压时, 通过动触点的负载电流值是不大的。角度传感器（电位器）制造厂一般采用如图6 所示的降功耗曲线。图中当环境温度在t1 和tmax之间的允许耗散功率由连接A、B 两点的直线所构成的减负荷特性加以规定。而环境温度在tm in和t1 之间的温度下允许耗散功率均为额定功率。线路设计人员应严格遵守这一规定。

图6　角度传感器（电位器）降功耗曲线

　　完整的额定功率的技术规范, 应规定安装条件, 周围环境是静止空气还是强迫对流。通常是用标准的安装方法使给定的角度传感器（电位器）放置在静止空气中的允许值。当角度传感器（电位器）需要安装在靠近发热元件如功率晶体管、变压器、大功率电阻等或邻近另一角度传感器（电位器）时, 应当减少允许耗散功率。产品上和性能数据表上规定的额定功率适用于角度传感器（电位器）作分压器用的情况。此时, 耗散功率可认为是沿整个电阻元件均匀分布的。而当角度传感器（电位器）作变阻器或两引出端连接方式应用时, 对应动触点某一给定的调节位置,只有一部分电阻元件是消耗功率的, 而且流过电阻元件的电流全部流过动触点电路, 而动触点和电阻元件之间的压力接触点并不总是能够承受像电阻元件单独承受的那样大的电流。分压器式接法的额定功率是假定动触点电流可忽略不计的, 因此对于变阻器式接法, 必须限制其动触点电流的允许值Im= P?R T。式中P 为耗散功率; R T 为总电阻值。采用这个电流极限值, 即可保证角度传感器（电位器）的功率不被超过。

各种类型角度传感器（电位器）的额定功率范围典型值  表5。

36　电阻变化规律

定义为角度传感器（电位器）输出电压(V 122或V 223) 与输入电压(V 123) 的比值与动触点所处机械位置(对于旋转角度传感器（电位器）是指转角) 之间的关系。

通用角度传感器（电位器）的电阻规律有如下几种：

a1 直线规律: 规律A

b1 对数规律: 规律B

c1 反转对数规律: 规律C

d1 超对数规律: 规律Z

角度传感器（电位器）制造厂也可根据整机厂特殊要求设计制作其他电阻变化规律的角度传感器（电位器）。

37　耐久性

(1) 机械耐久性(耐磨寿命)

在规定的试验条件下, 使角度传感器（电位器）性能的降低程度保持在技术规范允许范围内时, 角度传感器（电位器）驱动机构得到的运转周数(动触点沿电阻元件工作道往返运行一次为一周)。

表6　各种类型角度传感器（电位器）的耐磨寿命典型值

(2) 电气耐久性

在规定的负荷和动触点不运动的试验条件下, 角度传感器（电位器）能连续正常工作而其性能保持在技术规范允许范围内的时间。按IEC 规定, 角度传感器（电位器）的电气耐久性为1 000 h。

 38　绝缘电压

定义为在连续正常工作的条件下, 可以施加在角度传感器（电位器）引出端和其外部导体之间的峰值电压。对于多联角度传感器（电位器）来说, 应在每一联引出端和其他各联的引出端之间进行测量。在正常气压下绝缘电压值应不小于电阻体极限电压的 1.42 倍。

39　耐电压

定义为加在角度传感器（电位器）引出端和其外部导体之间; 多联角度传感器（电位器）应在每一联的引出端和其他各联的引出端之间; 带开关角度传感器（电位器）的开关引出端与角度传感器（电位器）引出端和其外部导体之间的交流电压(频率为40～ 60Hz) 施加1 m in, 不应发生损伤、火花、绝缘破坏。可将各引出端一起连接起来进行测量。耐电压通常为交流100～1 000V , 对于具体产品, 其耐电压在产品标准中给出。

4　角度传感器（电位器）使用注意事项

线路设计人员和使用元件的工程技术人员在选择和使用角度传感器（电位器）时, 需要考虑到全部机械结构和电气方面的要求, 同时还应注意角度传感器（电位器）的安装和使用要求, 否则会影响使用性能和可靠性。选用角度传感器（电位器）首先要以经济的观点来考察其性能指标, 也就是说, 要根据角度传感器（电位器）在线路中所起的作用来确定哪些是重要的参数。对一些不重要的参数则不必过于苛求。例如对于预调角度传感器（电位器）来说, 一旦调整好后, 一般不再调整,在相当长时间里, 保持其原状态工作。因此其耐磨寿命、动噪声要求不高。预调角度传感器（电位器）在电路中通常作变阻器调节电流用, 所以其接触电阻变化、动触点极限电流和接触可靠性就显得很重要。而对于设备、仪器面板上使用的角度传感器（电位器）, 多起分压器作用, 而且需要经常调节, 所以对耐磨寿命、动噪声都有严格要求。对特殊用途的角度传感器（电位器）, 应根据其实际需要加以选择。有的设计人员认为元件的所有电气参数都应有较高指标, 才能保证其设计要求, 这是很不科学的。如有的设计师对预调角度传感器（电位器）不但动噪声按面板角度传感器（电位器）去要求, 甚至对电阻膜层和银电极接处的突跳也视为不允许, 这就使设计同实际需要相脱离, 不仅缺乏科学性, 也缺乏经济性。鉴于上述指导思想, 提出以下几点使用中需要注意的问题:

(1) 应使角度传感器（电位器）工作于额定功率范围内。

由于设计、使用不当使功率耗散超过额定值时, 会造成角度传感器（电位器）内部过热而损坏。注意环境温度对角度传感器（电位器）的影响, 特别是在高温情况下,负荷应根据产品标准规定的降功率曲线设计。

(2) 在使用中, 当允许直流电流通过角度传感器（电位器）的动触点时, 可能会出现阳极氧化的问题。这种情况下, 用负端连接元件, 用正端连接动触点, 见图9。

图9　角度传感器（电位器）引出端的连接

(3) 在使用角度传感器（电位器）时, 应控制动触点电流小于动触点极限电流。除了保证线路设计正确外, 还不能随意加大负载电流。在进行角度传感器（电位器）检测时, 如测量终端电阻或检测角度传感器（电位器）输出时, 切勿使用普通三用表。因为三用表中的电源会形300～ 400 mA 的电流流过动触点。该电流很可能会烧毁电阻元件。检测角度传感器（电位器）一定要用数字欧姆表。

(4) 在设计线路时, 对于预调角度传感器（电位器）, 应尽量使其动触点处于总电气行程的中段位置使用。应避免在接近两终端位置使用。避开前后终端30°转角进行设计。在线路设计中, 往往需要设计一个串联电阻, 改变此电阻阻值, 即可改变角度传感器（电位器）动触点的工作位置。当然应以合理选择角度传感器（电位器）的总阻值为前提。

(5) 在设计线路时, 应设计成角度传感器（电位器）调节到某些位置时不能造成电路中电流过大的线路, 以免烧毁角度传感器（电位器）或其他元件。

(6) 在角度传感器（电位器）焊接时, 注意选用适当的温度。并非温度越高, 焊接速度越快, 质量就越好。仅需加上达到良好焊接所需的热量。在波峰焊接时采用能保证良好的焊点的通过速度。加热时间过长, 热量过多, 有可能造成电阻元件与引出端之间连接损坏或电阻值漂移。另外一定要注意焊剂用量适中, 以免焊料浸入电位器, 造成额外噪声甚至接触不良。因此应考虑适当的保护措施, 在波峰焊接前让助焊剂充分干燥。

(7) 应尽量避免在有害物质的气氛中使用角度传感器（电位器）, 如SO2、NH3、碱溶液、油脂等, 以免引起电阻元件、塑料或金属材料的腐蚀。

(8) 在安装角度传感器（电位器）时, 应安装在平整的面上。对轴施加的力、引出端的强度、终端止档强度、螺母扭紧力矩等安装要求都应符合角度传感器（电位器）厂家的规定。

(9) 为了能获得更好的品质, 应尽量按角度传感器（电位器）的技术标准选择