Потенціометричні датчики

Потенциометрический датчик являє собою змінний резистор, до якого прикладено напругу живлення, його вхідний величиною є лінійне або кутове переміщення токоз`ємного контакту, а вихідною величиною - напруга, що знімається з цього контакту, змінюється за величиною при зміні його положення.

Потенціометричні датчики створені для перетворення лінійних або кутових переміщень в електронний сигнал, також для програвання простих багатофункціональних залежностей в автоматичних і автоматичних пристроях безперервного типу.

За методом виконання опору потенциометрические датчики діляться на

• ламельні з незмінними сопротівленіямі-

• дротові з безперервною намоткой-

• з резистивним шаром.

Ламельні потенциометрические датчики використовувалися для проведення щодо грубих вимірювань в силу певних конструктивних недоліків.

У таких датчиках незмінні резистори, підібрані за номіналом особливим чином, припаиваются до ламелей.

Ламель являє собою конструкцію з чергуються провідними і непроводящими елементами, по якій ковзає струмознімальних контакт. При русі токос`емника від 1-го проводить елемента до іншого сумарний опір приєднаних до нього резисторів змінюється на величину відповідну номіналу 1-го опору. Зміна опорів може відбуватися в широких межах. Похибка вимірювань визначається розмірами контактних майданчиків.

Ламельний потенциометрический датчик

Дротові потенциометрические датчики створені для більш чітких вимірів. Зазвичай їх конструкції представляють собою каркас з гетинаксу, текстоліту або кераміки, на який в один шар, виток до витка намотана вузька дріт, по зачищеною поверхні якої ковзає струмознімач.

Діаметр дроту визначає клас точності потенциометрического датчика (високий-0,03-0,1 мм, маленький 0,1-0,4 мм). Матеріали дроти: манганин, фехраль, сплави на базі великодушних металів. Струмознімач виконаний з більш м`якого матеріалу, щоб виключити перетирання дроти.

Переваги потенціометричних датчиків:

• простота конструкції-

• малі габарити і вага-

• найвища ступінь лінійності статичних черт-

• стабільність черт-

• можливість роботи на змінному і постійному струмі.

Недоліки потенціометричних датчиків:

• наявність ковзного контакту, який може стати передумовою відмов через окислення контактної доріжки, перетирання витків або відгинання ползунка-

• похибка в роботі за рахунок навантаження-

• порівняно низький коефіцієнт перетворення-

• найвищий поріг чувствітельності-

• наявність шумов-

• схильність електроеррозіі під дією імпульсних розрядів.

Статична риса потенціометричних датчиків

Статична риса нереверсивного потенциометрического датчика

Розглянемо на прикладі потенциометрического датчика з безперервною намотуванням. До зажимів потенціометра прикладається змінна або постійна напруга U. Вхідний величиною є переміщення X, вихідний - напруга U вих. Для режиму холостого ходу статична риса датчика лінійна тому справедливо співвідношення: U вих = (U / R) r,

де R- опір обмоткі- r- опір частини обмотки.

Беручи до уваги, що r / R = x / l, де l - загальна довжина намотування, отримаємо U вих = (U / l) x = Kx [В / м],

де К - коефіцієнт перетворення (передачі) датчика.

Зрозуміло, що такий датчик не буде реагувати на зміну знака вхідного сигналу (датчик нереверсивний). Є схеми чутливі до зміни знаку. Статична риса такого датчика має вигляд представлений на малюнку.

Реверсивна схема потенциометрического датчика

Статична риса реверсивного потенциометрического датчика

Придбані бездоганні властивості можуть значно відрізняться від реальних за рахунок наявності різного роду похибок:

1.Зона нечутливості.

Вихідна напруга змінюється дискретно від витка до витка, тобто з`являється ця зона, коли при малому вхідні величина U вих не змінюється.

Величина стрибка напруги визначається за формулою: DU = U / W, де W- число витків.

Поріг чутливості визначається діаметром намоточного дроти: Dx = l / W.

Зона нечутливості потенциометрического датчика

2.Неравномерность статичної властивості через мінливість діаметра дроту, питомого опору і кроку намотування.

3.Погрешность від вільного ходу, що виникає між віссю обертання движка і спрямовуючої втулкою (для зменшення вживають підтискні пружини).

4. Похибка від тертя.

При малих потужностях елемента приводить в рух щітку потенциометрического датчика може з`являтися за рахунок тертя зона застою.

Необхідно ретельно регулювати натиск щітки.

5.Погрешность від впливу навантаження.

Залежно від характеру навантаження з`являється похибка, як в статичному, так і в динамічному режимах. При активному навантаженні змінюється статична риса. Величина вихідної напруги буде визначатися відповідно до виразом: U вих = (UrRн) / (RRн + Rr-r2)

Тобто U вих = f (r) залежить від Rн. при Rн>R можна показати, що U вих = (U / R) r-

при Rн приблизно рівному R залежність нелінійна, і найбільша похибка датчика буде при відхиленні движка на (2/3)) l. Зазвичай вибирають Rн / R = 10 ... 100. Величина помилки при x = (2/3) l може бути визначена з виразу: E = 4 / 27η, де η = Rн / R - коефіцієнт навантаження.

Потенциометрический датчик під навантаженням

Динамічні властивості потенціометричних датчиків

передавальна функція

Для виведення передавальної функції зручніше за вихідну величину взяти струм навантаження, його можна знайти користуючись аксіомою про еквівалентному генераторі. Iн = Uвих0 / (Rвн + Zн)

Розглянемо два варіанти:

1.Нагрузка чисто активна Zн = Rн тому Uвих0 = K1x Iн = K1x / (Rвн + Rн)

де K1 - коефіцієнт передачі датчика на холостому ходу.

Застосовуючи перетворення Лапласа, отримаємо передавальну функцію W (p) = Iн (p) / X (p) = K1 / (Rвн + Rн) = K

Таким чином, ми отримали безінерційною ланка, а означає датчик має всі, належні цієї ланки частотні і тимчасові властивості.

схема заміщення

2. Навантаження індуктивна з наявністю активної складової.

U = RвнIн + L (dIн / dt) + RнIн

Застосовуючи перетворення Лапласа отримаємо Uвихx (p) = Iн (p) [(Rвн + pL) + Rн]

Методом перетворень можна прийти до передавальної функції виду W (p) = K / (Tp + 1) - апериодическое ланка 1-го порядку,

де K = K1 / (Rвн + Rн)

T = L / (Rвн + Rн) -

Власні шуми потенциометрического датчика

Як було показано, при русі щітки від витка до витка напруження на виході змінюється стрибком. Похибка, створювана ступінчастістю має вигляд пилкоподібної напруги, накладеного на вихідну напругу передавальної функції, тобто. є шум. При наявності вібрації щітки при русі також створюється шум (перешкода). Частотний діапазон вібраційного шуму лежить в області звукових частот.

Для усунення вібрації струмозйомники роблять з декількох зволікань різної довжини складених спільно. Тоді власна частота кожної зволікання буде різна, це перешкоджає виникненню технічного резонансу. Рівень термічних шумов- низький, їх враховують в особливо чутливих системах.

Багатофункціональні потенциометрические датчики

Варто відзначити, що в автоматиці нерідко для отримання нелінійних залежностей вживаються багатофункціональні передавальної функції. Їх побудова робиться 3-ма методами:

• конфігурацією діаметра дроту вздовж намоткі-

• конфігурацією кроку намоткі-

• застосуванням каркаса певної конфігураціі-

• шунтуванням ділянок лінійних потенціометрів опорами різної величини.

Наприклад, щоб отримати квадратичну залежність по 3-му методу, необхідно щоб ширина каркаса змінювалася за лінійним законом, як це показано на малюнку.

Багатофункціональний потенциометрический датчик

багатооборотний потенціометр

Звичайні потенциометрические датчики мають обмежений спектр роботи. Його величина задана геометричними розмірами каркаса і числом витків обмотки. Їх нарощувати безмежно можна. Тому знайшли застосування багатооборотні потенциометрические датчики, у яких резистивний елемент світ по гвинтоподібної смуги з декількома витками, їх вісь повинна обернутися пару раз, щоб движок перемістився з 1-го кінця обмотки на інший, тобто електронний спектр таких датчиків кратний 3600.

Головним достоїнством багатооборотних потенціометрів є найвища роздільна здатність і точність, що досягається завдяки великій довжині резистивного елемента при малих загальних габаритах.

Фотопотенціометри

Фотопотенціометр - являє собою безконтактний аналог звичайного потенціометра з резистивним шаром, механічний контакт в ній замінено фотопровідним, що, природно, збільшує надійність і термін служби. Сигналом з фотопотенціометра управляє світловий зонд, що виконує роль движка. Він формується особливим оптичним пристроєм і може зрушуватися в результаті зовнішнього механічного впливу вздовж фотопровідного шару. У місці засвічення фотослоя з`являється надлишкова в порівнянні з темнової фотопровідність і створюється електронний контакт.

Фотопотенціометри діляться по призначенню на лінійні і багатофункціональні.

Багатофункціональні фотопотенціометри дозволяють просторове переміщення джерела світла конвертувати в електронний сигнал даного багатофункціонального виду за рахунок профільованого резистивного шару (гіперболічні, експоненціальні, логарифмічні).