Потенциометрични сензори

Потенциометричен сензор е променлив резистор, към който се подава захранващо напрежение, неговата входна стойност е линейното или ъгловото изместване на токосъбиращия контакт, а изходната стойност е напрежението, взето от този контакт, което се променя по величина при промяна на позицията му.

Потенциометричните сензори са предназначени да преобразуват линейни или ъглови измествания в електрически сигнал, както и да възпроизвеждат най -простите функционални зависимости в автоматични и автоматични устройства от непрекъснат тип.

Схема на свързване на потенциометричен сензор

Чрез оказване на съпротива потенциометрични сензори са разделени на

• ламелни с постоянно съпротивление;

• телена навивка с непрекъснато навиване;

• с резистивен слой.

Ламеларни потенциометрични сензори бяха използвани за провеждане на относително груби измервания поради определени недостатъци в дизайна.

При такива сензори постоянните резистори, избрани по номинал по специален начин, се запояват към ламелите.

Ламелата е структура с редуващи се проводящи и непроводящи елементи, по които се плъзга контактът на колектора. Когато токоприемникът се премести от един проводящ елемент към друг, общото съпротивление на свързаните към него резистори се променя със сума, съответстваща на номиналната стойност на едно съпротивление. Промяната в съпротивлението може да настъпи в широк диапазон. Грешката при измерването се определя от размера на контактните подложки.

Ламелен потенциометричен сензор

Тел потенциометрични сензори са предназначени за по -точни измервания. По правило техните дизайни са рамка, изработена от гетинакс, текстолит или керамика, върху която тънка тел е навита в един слой, завърта се на завой, върху почистената повърхност на която се плъзга токосъбирач.

Диаметърът на проводника определя клас на точност потенциометричен сензор (висок е 0,03-0,1 мм, нисък е 0,1-0,4 мм). Материали от тел: манганин, фехрал, сплави на база благородни метали. Плъзгащият пръстен е изработен от по -мек материал, за да се предотврати разтриване на жицата.

Предимствата на потенциометричните сензори:

• простота на дизайна;

• малки размери и тегло;

• висока степен на линейност на статичните характеристики;

• стабилност на характеристиките;

• възможност за работа на променлив и постоянен ток.

Недостатъци на потенциометричните сензори:

• наличието на плъзгащ се контакт, който може да причини повреди поради окисляване на контактната следа, триене на завои или огъване на плъзгача;

• грешка в работата поради натоварване;

• относително малък коефициент на конверсия;

• висок праг на чувствителност;

• наличието на шум;

• податливост на електрическа ерозия под влияние на импулсни разряди.

Статична характеристика на потенциометричните сензори

Статична характеристика на необратим потенциометричен сензор

Нека разгледаме като пример потенциометричен сензор с непрекъсната намотка. Към клемите на потенциометъра се прилага променливо или директно напрежение U. Входната стойност е изместването X, изходната стойност е напрежението Uout. За празен режим статичната характеристика на сензора е линейна, защото съотношението е вярно: Uout = (U / R) r,

където R е съпротивлението на намотката; r е съпротивлението на част от намотката.

Като се има предвид, че r / R = x / l, където l е общата дължина на намотката, получаваме Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

където K е коефициентът на преобразуване (предаване) на сензора.

Очевидно такъв сензор няма да реагира на промяна в знака на входния сигнал (сензорът е необратим). Има схеми, които са чувствителни към промени в подписите. Статичната характеристика на такъв сензор има формата, показана на фигурата.

Реверсивна верига на потенциометричен сензор

Статична характеристика на обратим потенциометричен сензор

Получените идеални характеристики могат да се различават значително от реалните поради наличието на различни видове грешки:

1. Мъртва зона.

Изходното напрежение се променя дискретно от завой в завой, т.е. тази зона възниква, когато при малка входна стойност Uout не се променя.

Величината на скока на напрежението се определя по формулата: DU = U / W, където W е броят на завоите.

Прагът на чувствителност се определя от диаметъра на проводника за намотка: Dx = l / W.

Потенциометричен сензор за мъртва лента

2. Неравномерност на статичните характеристики поради променливостта на диаметъра на проводника, съпротивлението и стъпката на намотката.

3. Грешка от люфт, възникнал между оста на въртене на двигателя и направляващата втулка (за намаляване се използват компресионни пружини).

4. Грешка поради триене.

При ниски мощности на елемента, задвижващ четката на потенциометричния сензор, може да възникне зона на застой поради триене.

Налягането на четката трябва внимателно да се регулира.

5. Грешка поради влиянието на товара.

В зависимост от естеството на натоварването възниква грешка, както в статичен, така и в динамичен режим. При активно натоварване статичната характеристика се променя. Стойността на изходното напрежение ще бъде определена в съответствие с израза: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Тези. Uout = f (r) зависи от Rn. При Rн >> R може да се покаже, че Uout = (U / R) r;

когато Rn е приблизително равно на R, зависимостта е нелинейна и максималната грешка на сензора ще бъде, когато плъзгачът се отклони от (2/3)) l. Обикновено изберете Rн / R = 10 … 100. Величината на грешката при x = (2/3) l може да се определи от израза: E = 4/27η, където η= Rн / R — коефициент на натоварване.

Потенциометричен сензор под товар

а — Еквивалентна верига потенциометричен сензор с товар, б — Влияние на товара върху статичната характеристика на потенциометричния сензор.

Динамични характеристики на потенциометрични сензори

Функция за предаване

За да се извлече трансферната функция, е по -удобно да се вземе токът на натоварване като изходна стойност; тя може да бъде определена с помощта на теоремата за еквивалентния генератор. В = Uout0 / (Rvn + Zn)

Помислете за два случая:

1. Натоварването е чисто активно Zn = Rn, защото Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

където K1 е скоростта на празен ход на сензора.

Прилагайки преобразуването на Лаплас, получаваме трансферната функция W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

По този начин получихме безинерционна връзка, което означава, че сензорът има всички честотни и времеви характеристики, съответстващи на тази връзка.

Еквивалентна верига

2. Индуктивен товар с активен компонент.

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

Прилагайки преобразуването на Лаплас, получаваме Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Чрез трансформации може да се стигне до трансферна функция от формата W (p) = K / (Tp + 1) — апериодична връзка от 1 -ви ред,

където K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L / (Rvn + Rn);

Вътрешен шум на потенциометричния сензор

Както е показано, когато четката се движи от завой на завой, изходното напрежение се променя рязко. Грешката, създадена от стъпването, е под формата на трионно напрежение, насложено върху изходното напрежение на трансферната функция, т.е. представлява шум. Ако четката вибрира, движението също създава шум (смущения). Честотният спектър на вибрационния шум се намира в аудио честотния диапазон.

За да се премахнат вибрациите, токоприемниците са направени от няколко проводника с различна дължина, сгънати заедно. Тогава естествената честота на всеки проводник ще бъде различна, това предотвратява появата на технически резонанс. Нивото на топлинен шум е ниско, те се вземат предвид в особено чувствителни системи.

Функционални потенциометрични сензори

Трябва да се отбележи, че в автоматизацията функционалните трансферни функции често се използват за получаване на нелинейни зависимости.Те са изградени по три начина:

• промяна на диаметъра на проводника по намотката;

• промяна на терена на намотката;

• използването на рамка с определена конфигурация;

• чрез маневриране на секциите на линейни потенциометри с съпротивления с различни размери.

Например, за да се получи квадратична зависимост съгласно третия метод, е необходимо ширината на рамката да се променя линейно, както е показано на фигурата.

Функционален потенциометричен сензор

Многооборотен потенциометър

Конвенционалните потенциометрични сензори имат ограничен работен диапазон. Стойността му се определя от геометричните размери на рамката и броя на навивките на намотката. Те не могат да се увеличават безкрайно. Следователно, многооборотни потенциометрични сензори са намерили приложение, при което резистивен елемент е усукан по спирална линия с няколко завъртания, оста им трябва да се завърти няколко пъти, така че двигателят да се движи от единия край на намотката към другия, т.е. електрическият обхват на такива сензори е кратен на 3600.

Основното предимство на многооборотните потенциометри е тяхната висока разделителна способност и точност, което се постига поради голямата дължина на резистивния елемент с малки габаритни размери.

Фотопотенциометри

Фотопотенциометър — е безконтактен аналог на конвенционален потенциометър с резистивен слой, механичният контакт в него се заменя с фотопроводим, което, разбира се, увеличава надеждността и експлоатационния живот. Сигналът от фотопотенциометъра се управлява от светлинна сонда, която действа като плъзгач. Той се формира от специално оптично устройство и може да бъде изместен в резултат на външно механично действие по протежение на фотопроводимия слой. На мястото, където е изложен фотослоят, възниква излишната (в сравнение с тъмната) фотопроводимост и се създава електрически контакт.

Фотопотенциометрите са разделени по предназначение на линейни и функционални.

Функционални фотопотенциометри позволяват пространственото движение на източника на светлина да се преобразува в електрически сигнал с дадена функционална форма поради профилирания резистивен слой (хиперболичен, експоненциален, логаритмичен).