Czujniki potencjometryczne

Czujnik potencjometru jest zmiennym rezystorem, do którego przykładane jest napięcie zasilania, jego wartością wejściową jest liniowe lub kątowe przesunięcie styku zbierającego prąd, a wartością wyjściową jest napięcie pobierane przez ten styk, które zmienia się wraz z jego położeniem zmiany.

Czujniki potencjometryczne przeznaczone są do przetwarzania przemieszczeń liniowych lub kątowych na sygnał elektryczny, a także do odtwarzania najprostszych zależności funkcjonalnych w urządzeniach automatycznych i automatycznych typu ciągłego.

Schemat podłączenia czujnika potencjometrycznego

Według rezystancji czujniki potencjometryczne dzielą się na

• lamele o stałym oporze;

• cewka z drutu z ciągłym uzwojeniem;

• z warstwą rezystancyjną.

Płytkowe czujniki potencjometryczne zostały użyte do przeprowadzenia stosunkowo zgrubnych pomiarów z powodu pewnych wad konstrukcyjnych.

W takich czujnikach do płytek wlutowuje się stałe rezystory, nominalnie dobrane w specjalny sposób.

Lamela to konstrukcja z naprzemiennymi elementami przewodzącymi i nieprzewodzącymi, po których ślizga się styk kolektora.Kiedy kolektor prądu jest przesuwany z jednego elementu przewodzącego do drugiego, całkowita rezystancja podłączonych do niego rezystorów zmienia się o wielkość odpowiadającą wartości nominalnej jednej rezystancji. Zmiana rezystancji może zachodzić w szerokim zakresie. Błąd pomiaru jest określony przez rozmiar pól kontaktowych.

Płytkowy czujnik potencjometru

Czujniki z potencjometrem drutowym są przeznaczone do dokładniejszych pomiarów. Z reguły ich projekty to rama wykonana z getinaxu, tekstolitu lub ceramiki, na którą nawinięty jest cienki drut w jednej warstwie, zwija się z kolei, po czyszczonej powierzchni, po której ślizga się odbierak prądu.

Średnica drutu określa klasa dokładności czujnik potencjometru (wysoki to 0.03-0.1mm, niski to 0.1-0.4mm). Materiały drutowe: manganin, fechral, ​​stopy na bazie metali szlachetnych. Pierścień ślizgowy jest wykonany z bardziej miękkiego materiału, aby zapobiec otarciom drutu.

Zalety czujników potencjometrycznych:

• prostota konstrukcji;

• mały rozmiar i waga;

• wysoki stopień liniowości charakterystyk statycznych;

• stabilność charakterystyk;

• możliwość pracy na prąd przemienny i prąd stały.

Wady czujników potencjometru:

• obecność styku ślizgowego, który może spowodować uszkodzenie w wyniku utlenienia śladu styku, tarcia zwojów lub wygięcia suwaka;

• błąd w działaniu spowodowany obciążeniem;

• stosunkowo mały współczynnik konwersji;

• wysoki próg czułości;

• obecność hałasu;

• podatność na erozję elektryczną pod wpływem wyładowań impulsowych.

Charakterystyka statyczna czujników potencjometrycznych

Charakterystyka statyczna nieodwracalnego czujnika potencjometrycznego

Rozważmy jako przykład czujnik potencjometru z ciągłą cewką. Do zacisków potencjometru przykładane jest napięcie AC lub DC U. Wartość wejściowa to przesunięcie X, wartość wyjściowa to napięcie Uout. Dla trybu jałowego charakterystyka statyczna czujnika jest liniowa, ponieważ zależność jest prawdziwa: Uout = (U / R) r,

gdzie R jest rezystancją cewki; r jest rezystancją części cewki.

Biorąc pod uwagę, że r / R = x / l, gdzie l jest całkowitą długością cewki, otrzymujemy Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

gdzie K jest współczynnikiem konwersji (przepuszczalności) czujnika.

Oczywiście taki czujnik nie zareaguje na zmianę znaku sygnału wejściowego (czujnik jest nieodwracalny). Istnieją schematy wrażliwe na zmiany w podpisach. Charakterystyka statyczna takiego czujnika ma postać pokazaną na rysunku.

Odwracalny obwód czujnika potencjometru

Charakterystyka statyczna odwracalnego czujnika potencjometrycznego

Uzyskane idealne charakterystyki mogą znacznie różnić się od rzeczywistych ze względu na obecność różnego rodzaju błędów:

1. Martwa strefa.

Napięcie wyjściowe zmienia się dyskretnie od zwoju do zwoju, tj. strefa ta występuje, gdy dla małej wartości wejściowej Uout nie zmienia się.

Wielkość skoku napięcia określa wzór: DU = U / W, gdzie W to liczba zwojów.

Próg czułości jest określony przez średnicę drutu cewki: Dx = l / W.

Czujnik potencjometryczny strefy nieczułości

2. Nieregularność charakterystyk statycznych spowodowana zmiennością średnicy drutu, rezystancji i skoku uzwojenia.

3. Błąd wynikający z luzu, który wystąpił między osią obrotu silnika a tuleją prowadzącą (do jego zmniejszenia służą sprężyny naciskowe).

4.Błąd spowodowany tarciem.

Przy małych mocach elementu napędzającego szczotkę czujnika potencjometru może wystąpić strefa stagnacji na skutek tarcia.

Docisk szczotek musi być dokładnie wyregulowany.

5. Błąd spowodowany wpływem obciążenia.

W zależności od charakteru obciążenia pojawia się błąd, zarówno w trybie statycznym, jak i dynamicznym. Przy aktywnym obciążeniu zmienia się charakterystyka statyczna. Wartość napięcia wyjściowego zostanie określona według wzoru: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Te. Uout = f (r) zależy od Rn. Za pomocą Rn >> R można pokazać, że Uout = (U / R) r;

gdy Rn jest w przybliżeniu równe R, zależność jest nieliniowa i maksymalny błąd czujnika wystąpi, gdy suwak odchyli się od (2/3))l. Zwykle wybieramy Rn / R = 10 … 100. Wielkość błędu przy x = (2/3) l można określić za pomocą wyrażenia: E = 4/27η, gdzie η = Rn / R — współczynnik obciążenia.

Czujnik potencjometryczny pod obciążeniem

a — Schemat zastępczy czujnika potencjometrycznego z obciążeniem, b — Wpływ obciążenia na charakterystykę statyczną czujnika potencjometrycznego.

Charakterystyki dynamiczne czujników potencjometrycznych

Funkcja transmisji

Aby wyprowadzić funkcję przenoszenia, wygodniej jest przyjąć prąd obciążenia jako wartość wyjściową; można to wyznaczyć za pomocą równoważnego twierdzenia o generatorze. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Rozważ dwa przypadki:

1. Obciążenie jest czysto aktywne Zn = Rn, ponieważ Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

gdzie K1 jest prędkością biegu jałowego czujnika.

Stosując transformatę Laplace'a, otrzymujemy funkcję przenoszenia W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

Uzyskaliśmy w ten sposób połączenie bezinercyjne, co oznacza, że ​​czujnik posiada wszystkie charakterystyki częstotliwościowe i czasowe odpowiadające temu połączeniu.

Równoważny obwód

2. Obciążenie indukcyjne ze składnikiem aktywnym.

U = RvnIn + L (dIn / dt) + RnIn

Stosując transformatę Laplace'a, otrzymujemy Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Poprzez przekształcenia można otrzymać transmitancję postaci W(p) = K / (Tp + 1) — połączenie aperiodyczne I rzędu,

gdzie K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L/(Rvn + Rn);

Hałas wewnętrzny czujnika potencjometru

Jak pokazano, gdy szczotka porusza się od zwoju do zwoju, napięcie wyjściowe zmienia się gwałtownie. Błąd tworzony przez stopniowanie ma postać napięcia piłokształtnego nałożonego na napięcie wyjściowe funkcji przenoszenia, tj. jest hałas. Jeśli szczotka wibruje, ruch powoduje również hałas (zakłócenia). Widmo częstotliwości hałasu wibracyjnego mieści się w zakresie częstotliwości dźwięku.

W celu wyeliminowania drgań pantografy składają się z kilku złożonych ze sobą drutów o różnej długości. Wtedy częstotliwość drgań własnych każdego drutu będzie inna, co zapobiega pojawieniu się rezonansu technicznego. Poziom szumów termicznych jest niski, są one brane pod uwagę w szczególnie wrażliwych systemach.

Funkcjonalne czujniki potencjometryczne

Należy zauważyć, że w automatyce często do uzyskania zależności nieliniowych wykorzystuje się funkcje przejścia funkcyjnego, które konstruuje się na trzy sposoby:

• zmiana średnicy drutu wzdłuż cewki;

• zmiana skoku cewki;

• użycie ramy o określonej konfiguracji;

• poprzez manewrowanie sekcjami potencjometrów liniowych o różnych wielkościach rezystancji.

Na przykład, aby uzyskać zależność kwadratową zgodnie z trzecią metodą, konieczna jest liniowa zmiana szerokości ramki, jak pokazano na rysunku.

Funkcjonalny czujnik potencjometru

Potencjometr wieloobrotowy

Konwencjonalne czujniki potencjometru mają ograniczony zakres działania. Jego wartość jest określona przez wymiary geometryczne ramy i liczbę zwojów cewki. Nie mogą rosnąć w nieskończoność. Dlatego też czujniki potencjometru wieloobrotowego znalazły zastosowanie, gdzie element rezystancyjny skręcony jest w spiralną linię z kilkoma zwojami, ich oś musi być kilkakrotnie obrócona, aby silnik przesunął się z jednego końca cewki na drugi, tj. zasięg elektryczny takich czujników jest wielokrotnością 3600.

Główną zaletą potencjometrów wieloobrotowych jest ich wysoka rozdzielczość i dokładność, którą uzyskuje się dzięki dużej długości elementu rezystancyjnego przy niewielkich gabarytach.

Fotopotencjometry

Fotopotencjometr — jest bezkontaktowym odpowiednikiem konwencjonalnego potencjometru z warstwą rezystancyjną, styk mechaniczny w nim zastąpiono fotoprzewodzącym, co oczywiście zwiększa niezawodność i żywotność. Sygnał z fotopotencjometru jest kontrolowany przez sondę świetlną, która działa jak suwak. Tworzy ją specjalne urządzenie optyczne i może przemieszczać się w wyniku zewnętrznego działania mechanicznego wzdłuż warstwy fotoprzewodzącej. W miejscu odsłonięcia fotowarstwy dochodzi do nadmiernego (w porównaniu z ciemnym) fotoprzewodnictwa i następuje kontakt elektryczny.

Fotopotencjometry dzielą się ze względu na przeznaczenie na liniowe i funkcjonalne.

Funkcjonalne fotopotencjometry umożliwiają zamianę przestrzennego ruchu źródła światła na sygnał elektryczny o określonej postaci funkcjonalnej dzięki profilowanej warstwie rezystancyjnej (hiperbolicznej, wykładniczej, logarytmicznej).