80 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Потенциометрический датчик

Общие сведения о потенциометрических датчиках

Потенциометрические датчики относятся к типу датчиков, преобразующих линейные и угловые перемещения в электрический сигнал и представляющие собой переменное электрическое сопротивление, величина которого зависит от положения токосъемного устройства. На стенде в левом верхнем углу расположены различные виды потенциометров.

Потенциометры в схемах работают с источником постоянного и переменного тока. Потенциометрические датчики применяются в различных системах автоматического контроля и регулирования, когда любая регулируемая или контролируемая физическая величина может быть преобразована в перемещение движка датчика.

Таким образом, входной величиной датчика является перемещение X или угол поворота движка, тогда как выходной величиной можно считать сопротивление R, ток I или напряжение U.

Потенциометрическим проволочным датчикам присуще наличие зоны нечувствительности, которая обусловлена диаметром токопроводящей проволоки.

Потенциометр (рисунки 5.1–5.4) представляет собой электрическое сопротивление R с линейным и угловым перемещением ползунка.

Основой потенциометра (линейного) является керамическая труба, закрепленная торцами между двумя металлическими щеками при помощи стяжных болтов. В щеках имеются вентиляционные отверстия для охлаждения керамики. На наружной поверхности керамической трубы вплотную навита обмотка сопротивления, концы которой закреплены хомутами. Каждый хомут соединен перемычкой со своей клеммой, расположенной на щеке. Над обмоткой укреплены направляющие стержни, вдоль которых по зачищенной поверхности обмотки перемещается ползун с контактными роликами или плоскими пружинными контактами. Ползунок соединяется с выходом третьей клеммой потенциометра.

В потенциометрах с угловым перемещением обмотка наматывается на изоляционный материал, выполненный в виде кругового сектора.

Потенциометры бывают проволочные и непроволочные. У непроволочных потенциометров токопроводящий слой состоит из углерода на лаковой основе или специального металлического сплава высокого удельного сопротивления, нанесенных тонким слоем на поверхность керамики или иного изоляционного материала. Такие датчики обладают линейной статической характеристикой.

Рисунок 5.1 – Потенциометрический измерительный преобразователь (ИП) линейных перемещений в электрический сигнал:

а – схема включения, б – статическая характеристика

У проволочных датчиков токопровод состоит из однослойной проволочной обмотки, с диаметром проволоки 0,03–0,1 мм для датчиков высокого класса точности и 0,3–0,4 мм для датчиков низкого класса.

В системах автоматики используются и различные функциональные потенциометры (с переменной высотой каркаса, изменяющимся шагом намотки, с фигурным каркасом, с сопротивлениями, с шунтирующими участками с линейным распределением сопротивления), квадратные, логорифмические, синусные, синусно-косинусные.

В простых датчиках между сопротивлением и перемещением (статическая характеристика) существует линейная зависимость:

– для прямых,

– угловых,

где f – длина кругового сектора).

В функциональных датчиках в зависимости от характера намотки проволоки на каркас можно получить любого вида функциональную связь между величиной перемещения и изменением сопротивления (рисунок 5.4).

Для этой цели применяется намотка проволоки на фигурный каркас, шунтировка секций, фигурный перекатывающийся контакт и другие способы.

Рисунок 5.4 – Функциональные потенциометры:

а – с профильным каркасом: б – со ступенчатым каркасом; в– с зашунтированными секциями; г – с перекатывающимся фигурным контактом; д – синусно-косинусный

Основными эксплуатационными характеристиками потенциометров являются: величина активного сопротивления, номинальная мощность рассеивания, уровень внешних шумов, износоустойчивость и вибропрочность, стабильность величины сопротивления.

Статическая характеристика определяет функциональную зависимость выходного напряжения потенциометра от перемещения его движка:

Для большинства типов потенциометров, используемых в автоматических системах, эта зависимость линейна при условии компенсации влияния нагрузки на точность работы потенциометра.

Влияние нагрузки Rн, подключенной к выходу потенциометра, характеризуются погрешностью, величина которой выражается в абсолютных (в единицах напряжения) или относительных (в процентах) единицах.

Относительная статистическая погрешность измерений для каждой ступени нагрузки (тарировки) вычисляется по формуле:

где U2пp – показания измерительного прибора при прямом ходе;

U2об – показания измерительного прибора при обратном ходе.

Статическая чувствительность определяется крутизной выходного напряжения и характеризует приращение выходного напряжения на единицу линейного или углового перемещения его движка (В/мм или В/рад).

Номинальная мощность рассеивания определяется максимальной допустимой мощностью, длительно рассеиваемой на сопротивлении потенциометра без нарушения его нормальной работы.

Номинальная величина активного сопротивления характеризуется значением активного сопротивления потенциометра при его изготовлении. Потенциометры в зависимости от номинального значения делятся на классы.

Уровень собственных шумов потенциометра оценивается величиной ложного сигнала, появляющегося на его выходе вследствие мгновенного нарушения контакта, возникающего при больших скоростях перемещения или вибрации ползунка.

Износоустойчивость потенциометра определяется числом перемещений (поворотов) ползунка от упора до упора, которое потенциометр может выдержать без нарушения его нормальной работы.

Вибропрочность оценивается временем, в течение которого потенциометр выдержит колебания в заданном диапазоне частот и с заданным ускорением без нарушения его нормальной работы.

Стабильность сопротивления характеризуется изменением величины сопротивления потенциометра с течением времени под влиянием температуры, влажности, рассеивания мощности и т. д. при подаче напряжения.

Типовые схемы включения потенциометра, наиболее часто применяемые в автоматических системах, представлены на рисунках 5.1, 5.3.

Основные соотношения ненагруженного прямого потенциометра (рисунок 5.1а) U2 = UК – выходное напряжение, где – относительное перемещение ползунка.

Выходное напряжение потенциометра практически является функцией перемещения его ползунка. Погрешность преобразования механического перемещения в электрический сигнал определяется собственной погрешностью потенциометра.

Основные отношения нагруженного потенциометра (рисунок 5.1а) (0

Потенциометрические датчики

Потенциометрический датчик представляет собой пере­менное электрическое сопротивление, величина выходного напряжения которого зависит от положения токосъемного контакта.

Потенциометрические датчики предназначены для пре­образования линейных и угловых перемещений в электри­ческий сигнал, а также для воспроиз­ведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и вы­числительных устройствах непрерыв­ного типа.

В потенциометрах непрерывной намотки переменным сопротивлением служит намотанная на каркас в один ряд тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник. Сопротивление таких потенциомет­ров лежит в пределах от нескольких десятков ом до десят­ков килоом. Таким образом, потенциометр непрерывной намотки состоит из каркаса, обмотки и токосъемника (рис. 3.4).

Каркас выполняется из материала, обладающего изоля­ционными свойствами, и имеет форму стержня, кольца или изогнутой по дуге пластинки. В качестве изоляцион­ного материала используют гетинакс, текстолит, керамику или металл, покрытый непроводящим слоем окисла. Об­мотку изготавливают из эмалированной проволоки, диа­метр которой определяет точность потенциометра. Датчики высокого класса точности наматываются проволокой диаметром 0,03…0,1 мм, датчики низкого класса — 0,1…0,4мм. В качестве обмоточного провода применяют константан, манганин, фехраль и сплавы на основе благородных метал­лов. Обмотка укладывается на каркас равномерно, по­скольку это также влияет на точность работы датчика. Токосъемник (щетка) выполняется из материала несколько мягче, чем материал обмоточного провода, во избежание перетирания витков при длительной работе. Движок имеет форму изогнутой упругой пластины для создания контакт­ного давления, которое колеблется от 0,5 г до 15 г.


По конструкции реохорда (каркас с намотанной на нем проволокой) различают два типа потенциометрических преобразователей: линейные и функцио­нальные.

Линейные потенциометрические преобразователи имеют по­стоянные сечение каркаса, диаметр проволоки и шаг намотки.

Напряжение питания и длина намотки являются постоянными величинами, поэтому выходные напряжения прямо пропорцио­нальны значению перемещения подвижного контакта.

Функциональные потенциометрические преобразователи обла­дают нелинейной характеристикой, что обеспечивается намоткой проволоки на каркасы с переменным сечением. Такой преобра­зователь представляет собой как бы несколько включенных по­следовательно линейных преобразователей. Нелинейность харак­теристики может быть достигнута также путем шунтирования резисторами отдельных участков намотки линейных потенцио­метрических преобразователей. Если у линейного потенциометрического преобразователя сделать отвод от середины обмотки, то он будет характеризовать наряду со значением перемещения движка и его направление.

Потенциометрические преобразователи могут включаться по схеме реостата (рис. 3.5, а и б) или потенциометра (рис. 3.5, в) (делителя напряжения). В зависимости от схемы включения перемещение подвижного контакта преобразуется в изменение тока (при последовательном соединении) или напряжения (при включении по схеме делителя). Первая схема применяется довольно редко, так как она не обеспечивает достаточной точности преобразова­ния, на величину которой оказывают влияние сопротивление соединительных проводов и переходного сопротивления между контактом и обмоткой реохорда.

Потенциометрические преобразователи выполняют с 20 %-ной или 100 %-ной зоной пропорциональности. Последние получили большее распространение, так как они охватывают всю шкалу измерительного прибора.

К преимуществам потенциометрических датчиков мож­но отнести: 1) простоту конструкции, малые габариты и вес; 2) воз­можность получения линейных статических характеристик с высокой точностью; 3) стабильность характеристик; 4) возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатками этих датчиков следует считать: 1) наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов вследствие окисления контактной до­рожки, перетирания витков или отгибания ползунка; 2) погрешность в работе за счет нагрузки; 3) сравнительно небольшой коэффициент преобразования и высокий порог чувствительности; 4) наличие шумов; 5) подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

Читать еще:  Оборудование для переработки шерсти овец

Из сопоставления видно, что с течением времени следует ожидать постепенную замену потенциометрических датчи­ков более совершенными бесконтактными датчиками.

Индуктивные датчики

Индуктивные датчики применяют для преоб­разования малых линейных или угловых перемещений в электри­ческие сигналы. Принцип их действия основан на зависимости индуктивного сопротивления катушки от изменения зазора вмагнитопроводе, от перемещения магнитопровода в катушке или от изменения площади зазора.


Индуктивный преобразователь датчика с подвижным якорем (изме­няющимся зазором) представляет собой катушку индуктивности 3 с магнитопроводом 2 и подвижным якорем 1 (рис. 3.6, а). Катушка индуктивности с магнитопроводом, называемая статором, закреп­ляется неподвижно, а якорь механически соединяется с подвиж­ной частью системы измерения, перемещение которой необхо­димо преобразовать в электрический сигнал. Перемещение якоря изменяет воздушный зазор δ (входная величина преобразователя), вызывает изменение индуктивного сопротивления катушки и, как следствие этого, выходной величины тока I при постоянном напряжении U .

Чувствительность индуктивных преобразователей с изменяю­щимся воздушным зазором уменьшается с увеличением зазора δ, поэтому их используют для измерения и контроля очень малых перемещений (до 2 мм). В таком диапазоне рабочих перемещений их чувствительность не превышает 2 мкм.

Индуктивные преобразователи с перемещающимся магнито­проводом (рис. 3.6, б) способны измерять большие перемещения (до 50мм).

У индуктивных преобразователей с изменяющейся площадью воздушного зазора (рис. 3.6, в) статическая характеристика ли­нейна только на определенном участке. Линейность нарушается, когда активное сопротивление становится сравнимым с индук­тивным. Диапазоны перемещения якоря больше (до 8 мм), чем у преобразователей с изменяющимся воздушным зазором, однако чувствительность ниже.

Все перечисленные выше виды индуктивных преобразователей обладают высокой надежностью, имеют практически неограни­ченный срок службы и большую мощность выходного сигнала (до нескольких ватт). К недостаткам можно отнести нереверсив­ность статической характеристики, небольшой диапазон переме­щения якоря, наличие тока холостого хода и влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания. Эти недостатки прак­тически полностью отсутствуют у дифференциальных индуктив­ных преобразователей.

Дифференциальный индуктивный преобразователь (рис. 3.6, г) имеет два статора 2 с катушками индуктивности 3 и один подвиж­ный якорь 1. При отклонении якоря от среднего положения происходит изменение индуктивного сопротивления обеих кату­шек и на выходе преобразователя появляется напряжение U н. Катушки индуктивности включаются либо в дифференциальную измерительную схему, либо работают как смежные плечи мостовой измери­тельной схемы.

Дифференциальные индуктивные преобразователи по сравне­нию с ранее рассмотренными конструкциями обладают более вы­сокими точностью и чувствительностью. Их статическая харак­теристика линейна и реверсивна. Поэтому они получили наи­большее распространение.

Трансформаторные преобразователи являются разновидностью индуктивных. Они представляют собой трансформаторы с пере- менным коэффициентом трансформации за счет изменения коэффи­циента взаимоиндукции между обмотками. Трансформатор­ные преобразователи применяют для преобразования небольших линейных и угловых перемещений в электрический сигнал (напря­жение переменного тока).


Первичная обмотка 2 (рис. 3.7) дифференциального трансформа­торного преобразователя с угловым перемещением якоря намо­тана на центральном стержне 1 магнитопровода, а две совершенно одинаковые вторичные обмотки 3 располагаются на крайних стержнях. Они соединены последовательно и имеют встречную намотку. При симметричном положении якоря 4 по отношению к стержню 1 во вторичных обмотках будут индуцироваться одина­ковые по значению и противоположные по фазе ЭДС, а напряже­ние на выходе преобразователя будет равно нулю. При повороте якоря, механически связанного с подвижной частью системы измерения, изменяется значение магнитных потоков и в соответ­ствии с этим значение ЭДС, т. е. на выходе появляется напряже­ние, амплитуда которого равна разности амплитуд ЭДС вторич­ных обмоток. Статическая характеристика рассмотренного преоб­разователя линейна и реверсивна. Реверсивность означает изме­нение в знаке выходного сигнала при изменении знака входного сигнала. Чувствительность преобразователя в 2 раза выше чув­ствительности обычных индуктивных преобразователей.

Интересна конструкция ферродинамического преобразователя, предназначенного для преобразования угловых перемещений в электрические сигналы.

Ферродинамический преобразователь (рис. 3.8) имеет магнито-провод, состоящий из шихтованного ярма 1 с полюсными наконечниками 2 и сердечника 3. На сердечнике 3 укреплены агатовые подпятники (на схеме не показаны), в которых на кернах установлена поворотная рамка 4, механически соединенная с подвижной частью системы измерения. Концы обмотки подвижной рамки подсоединяются с помощью спиральных пружин и проводов. Принцип работы преобразователя заключается в следующем. При подаче переменного тока на обмотку возбуждения 5 в магнитопроводе возникает магнитный поток. Если рамка 4 расположена по ней­трали ММ, то значение наведенной ЭДС равно нулю. При пово­роте рамки на некоторый угол α в ней индуцируется ЭДС, вели­чина которой пропорциональна углу поворота. Рабочий угол рамки от нейтрали составляет 40°. В зависимости от типа преобра­зователя напряжение на выходе рамки изменяется от —1 до +1 В или от 0 до 2 В.

Высокочастотные индуктивные преобразователи позволяют измерить толщину фольги металлов, толщину гальванических покрытий, разностенность металлических труб и т. д. Принцип их действия основан на изменении индуктивности обмотки при воз­никновении вихревых токов в проводящем теле, расположенном вблизи этой обмотки.

В таких преобразователях используется так называемый по­верхностный эффект, т. е. затухание вихревых токов по мере проникновения их в глубь проводящей среды, обусловленных переменным магнитным полем; при этом разность токов возбужда­ющего поля и поля вихревых токов уменьшается.

Емкостные датчики

Основу этих датчиков составляют емкостные преобразователи, которые преобразуют неэлектриче­ские величины (перемещение, уровень жидкости, влажность, уси­лие и т. д.) в изменение электрической емкости. Емкостной преоб­разователь является частью регулирующего или измерительного устройства с чувствительным элементом, выполненного в виде конденсатора и реагирующего на изменение измеряемого пара­метра технологического процесса. Чувствительный элемент ем­костного преобразователя представляет собой плоский или ци­линдрический конденсатор, у которого при воздействии изме­ряемого параметра изменяется расстояние между пластинами, площадь пластин или диэлектрическая проницаемость среды ме­жду обкладками. Емкость конденсатора C возрастает с увеличе­нием активной площади F и диэлектрической проницаемости ξ (для воды ξ =81; для воздуха ξ = 1; для формовочной смеси ξ = 1 . 4) и уменьшается с увеличением расстояния между пластинами X, т. е. C = ξ·ξ·F / X , где ξ — диэлектрическая про­ницаемость вакуума, ф/м. Учитывая влияние перечисленных фак­торов на размеры чувствительного элемента, различают три типа емкостных преобразователей: с переменным расстоянием между пластинами, с изменяемой площадью пластин и изменяемой ди­электрической проницаемостью среды. Перечисленные параметры емкостных преобразователей являются входными величинами, а выходной величиной будет емкость конденсатора.

Емкостные преобразователи с изменяемой площадью пластин выполняют как цилиндрическими (рис. 3.9, б), так и плоскими (рис. 3.9, в).

Цилиндрический емкостной преобразователь (рис. 3.9, б) пред­ставляет собой два цилиндра разного диаметра, помещаемые один в другой. Емкость конденсатора зависит от осевого перемеще­ния δ внутреннего цилиндра. Преобразователи этого типа пред­назначаются для измерения линейных перемещений.

В плоском преобразователе (рис. 3.9, в) емкость зависит от изме­нения активной площади пластин при повороте одной пластины относительно другой. Такие преобразователи используют при измерении угловых перемещений.

Емкостные преобразователи с изменением диэлектрической проницаемости среды между пластинами могут применяться, например, для регули­рования влажности формовочной смеси и дозирования воды при ее приготовлении. При колебании уровня жидкости изменяется емкость конденсатора (рис. 3.9, г), электродами которого служат корпус 1 и металлический стержень 2. Емкость такого преобра­зователя складывается из емкости цилиндрического конденсатора без жидкости и параллельно включенной емкости цилиндрического конденсатора с жидкостью. Емкость и чувствительность такого преобразователя увеличиваются с уменьшением отношения диаметров электродов, а также с ростом высоты цилиндра.

Емкостные преобразователи просты по устройству, обладают достаточно высокой чувствительностью, малыми размерами и мас­сой. Однако они имеют три недостатка: мощность выходного сигнала мала, поэтому необходимо применять усилитель; при промышленной частоте электрического тока практически невоз­можно получить достаточную мощность, в этой связи они полу­чают питание от источника высокой частоты (10 кГц и более); сильное влияние оказывают паразитические емкости и посторон­ние электрические поля, поэтому требуется тщательное экранирование как самих датчиков, так и соединительных проводов.

Потенциометрические датчики

Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является линейное или угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения.

Потенциометрические датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа.

По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на

ламельные с постоянными сопротивлениями;

проволочные с непрерывной намоткой;

с резистивным слоем.

Ламельные потенциометрические датчики использовались для проведения относительно грубых измерений в силу определенных конструктивных недостатков.

Читать еще:  Выход участника из ооо протокол собрания образец

В таких датчиках постоянные резисторы, подобранные по номиналу специальным образом, припаиваются к ламелям.

Ламель представляет собой конструкцию с чередующимися проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт. При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок.

Ламельный потенциометрический датчик

Проволочные потенциометрические датчики предназначены для более точных измерений. Как правило их конструкции представляют собой каркас из гетинакса, текстолита или керамики, на который в один слой, виток к витку намотана тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник.

Диаметр проволоки определяет класс точности потенциометрического датчика (высокий-0,03-0,1 мм , низкий 0,1-0,4 мм). Материалы провода: манганин, фехраль, сплавы на основе благородных металлов. Токосъемник выполнен из более мягкого материала, чтобы исключить перетирание провода.

Преимущества потенциометрических датчиков:

малые габариты и вес;

высокая степень линейности статических характеристик;

возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатки потенциометрических датчиков:

наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибание ползунка;

погрешность в работе за счет нагрузки;

сравнительно небольшой коэффициент преобразования;

высокий порог чувствительности;

подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

Статическая характеристика потенциометрических датчиков

Статическая характеристика нереверсивного потенциометрического датчика

Рассмотрим на примере потенциометрического датчика с непрерывной намоткой. К зажимам потенциометра прикладывается переменное или постоянное напряжение U. Входной величиной является перемещение X, выходной − напряжение Uвых. Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна т.к. справедливо соотношение : Uвых=(U/R)r,

где R- сопротивление обмотки; r- сопротивление части обмотки.

Учитывая, что r/R=x/l, где l — общая длина намотки, получим Uвых=(U/l)x=Kx [В/м],

где К — коэффициент преобразования (передачи) датчика.

Очевидно, что такой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный). Существуют схемы чувствительные к изменению знаку. Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке.

Реверсивная схема потенциометрического датчика

Статическая характеристика реверсивного потенциометрического датчика

Полученные идеальные характеристики могут существенно отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей:

Выходное напряжение меняется дискретно от витка к витку, т.е. возникает эта зона, когда при малом входная величина Uвых не меняется.

Величина скачка напряжения определяется по формуле: DU=U/W, где W- число витков.

Порог чувствительности определяется диаметром намоточного провода: Dx=l/W.

Зона нечувствительности потенциометрического датчика

2.Неравномерность статической характеристики из-за непостоянства диаметра провода, удельного сопротивления и шага намотки.

3.Погрешность от люфта, возникающего между осью вращения движка и направляющей втулкой (для уменьшения используют поджимные пружины).

4. Погрешность от трения.

При малых мощностях элемента приводящего в движение щетку потенциометрического датчика может возникать за счет трения зона застоя.

Необходимо тщательно регулировать нажим щетки.

5.Погрешность от влияния нагрузки.

В зависимости от характера нагрузки возникает погрешность, как в статическом, так и в динамическом режимах. При активной нагрузке изменяется статическая характеристика. Величина выходного напряжения будет определяться в соответствии с выражением: Uвых=(UrRн)/(RRн+Rr-r2)

Т.е. Uвых=f(r) зависит от Rн. При Rн>>R можно показать, что Uвых=(U/R)r;

при Rн приблизительно равном R зависимость нелинейна, и максимальная погрешность датчика будет при отклонении движка на (2/3))l. Обычно выбирают Rн/R=10…100. Величина ошибки при x=(2/3)l может быть определена из выражения : E=4/27 η , где η =Rн/R — коэффициент нагрузки.

Потенциометрический датчик под нагрузкой

Динамические характеристики потенциометрических датчиков

Для вывода передаточной функции удобнее за выходную величину взять ток нагрузки, его можно определить пользуясь теоремой об эквивалентном генераторе. Iн=Uвых0/(Rвн+Zн)

Рассмотрим два случая:

1.Нагрузка чисто активная Zн=Rн т.к. Uвых0=K1x Iн=K1x/(Rвн+Rн)

где K1 − коэффициент передачи датчика на холостом ходу.

Применяя преобразование Лапласа, получим передаточную функцию W(p)=Iн(p)/X(p)=K1/(Rвн+Rн)=K

Таким образом, мы получили безынерционное звено, а значит датчик имеет все, соответствующие этому звену частотные и временные характеристики.

2. Нагрузка индуктивная с наличием активной составляющей .

Применяя преобразование Лапласа получим Uвыхx(p)=Iн(p)[(Rвн+pL)+Rн]

Путем преобразований можно прийти к передаточной функции вида W(p)=K/(Tp+1) – апериодическое звено 1-го порядка,

Собственные шумы потенциометрического датчика

Как было показано, при движении щетки от витка к витку напряжение на выходе меняется скачком. Погрешность, создаваемая ступенчатостью имеет вид пилообразного напряжения, наложенного на выходное напряжение передаточной функции ,т.е. представляет собой шум. При наличии вибрации щетки при движении также создается шум (помеха). Частотный спектр вибрационного шума лежит в области звуковых частот.

Для устранения вибрации токосъемники выполняют из нескольких проволочек различной длины сложенных вместе. Тогда собственная частота каждой проволочки будет различна, это препятствует появлению технического резонанса. Уровень тепловых шумов- низок, их учитывают в особо чувствительных системах.

Функциональные потенциометрические датчики

Необходимо отметить, что в автоматике часто для получения нелинейных зависимостей используются функциональные передаточной функции. Их построение производится тремя способами:

изменением диаметра проволоки вдоль намотки;

изменением шага намотки;

применением каркаса определенной конфигурации;

шунтированием участков линейных потенциометров сопротивлениями различной величины.

Например, чтобы получить квадратичную зависимость по 3-му способу, нужно чтобы ширина каркаса изменялась по линейному закону, как это показано на рисунке.

Функциональный потенциометрический датчик

Обычные потенциометрические датчики имеют ограниченный диапазон работы. Его величина задана геометрическими размерами каркаса и числом витков обмотки. Их увеличивать беспредельно нельзя. Поэтому нашли применение многооборотные потенциометрические датчики, у которых резистивный элемент свит по винтовой линии с несколькими витками, их ось должна повернуться несколько раз, чтобы движок переместился с одного конца обмотки на другой, т.е. электрический диапазон таких датчиков кратен 3600.

Основным достоинством многооборотных потенциометров является высокая разрешающая способность и точность, что достигается благодаря большой длине резистивного элемента при малых общих габаритах.

Фотопотенциометр − представляет собой бесконтактный аналог обычного потенциометра с резистивным слоем, механический контакт в нем заменен фотопроводящим, что, конечно, повышает надежность и срок службы. Сигналом с фотопотенциометра управляет световой зонд, выполняющий роль движка. Он формируется специальным оптическим устройством и может смещаться в результате внешнего механического воздействия вдоль фотопроводящего слоя. В месте засветки фотослоя возникает избыточная по сравнению с темновой фотопроводимость и создается электрический контакт.

Фотопотенциометры делятся по назначению на линейные и функциональные.

Функциональные фотопотенциометры позволяют пространственное перемещение источника света преобразовать в электрический сигнал заданного функционального вида за счет профилированного резистивного слоя (гиперболические, экспоненциальные, логарифмические).

Потенциометрический датчик: описание, устройство и схема

В технике широко применяются приборы для измерения величин перемещений объектов с их преобразованием в электрические сигналы. Потенциометрический датчик в большинстве конструкций представляет собой реостат и соединенный с объектом скользящий контакт, с которого снимается сигнал. Выходной параметр — это величина электрического сопротивления, зависящего от углового или линейного перемещения подвижного элемента.

Принцип действия

Потенциометр преобразует линейные или угловые перемещения в соответствующие величины напряжения, тока или сопротивления. За счет этого можно работать со многими неэлектрическими величинами: давлением, уровнем, расходом и др.

Потенциометрические датчики, принцип действия которых заключается в измерении перемещения или места расположения положения, соединяются своими подвижными контактами переменного резистора с объектами. Это могут быть клапаны, антенны, режущие инструменты и многое другое. После подачи питания на датчик с него снимается сигнал положения движка потенциометра, как с делителя напряжения.

Базовый метод регистрации во всех моделях остается одним и тем же, но имеются конструктивные отличия. Сигнал может сниматься напрямую или с помощью электронной схемы после его обработки и нормализации. Важно, чтобы он соответствовал определенным стандартам.

Достоинства потенциометрических датчиков

  • Простота конструкции.
  • Небольшая стоимость.
  • Хорошая разрешающая способность.
  • Компактность и малый вес.
  • Стабильность показаний.

Конструктивное исполнение

В промышленности распространены проволочные потенциометрические датчики перемещения. Они обладают высокой точностью и стабильностью, имеют малые величины температурного и переходного сопротивлений и низкий уровень шумов. К недостаткам относятся: небольшая величина сопротивления, малая разрешающая способность, износ подвижных частей и ограниченность применения при работе на переменном токе.

Устройства состоят из трех основных элементов:

  1. Каркас. Изготовлен из теплопроводного изоляционного материала или металла с диэлектрическим покрытием, не меняющий геометрические размеры при нагревании. Форма может быть в виде кольца, изогнутой пластины, стержня.
  2. Изолированная обмотка. Выполняется с точной укладкой провода, от шага которой зависит разрешающая способность прибора.
  3. Подвижная щетка. В местах ее соприкосновения с обмоткой витки очищены от изоляции. Подвижный контакт в устройствах может перемещаться поступательно или вращательно. В последнем случае устройства могут быть одно- или многооборотного исполнения.

Материалы

Каркас изготавливается из диэлектрического материала: керамики, гетинакса, текстолита, пластмассы. Применяется металл с изоляционным покрытием. Его высокая теплопроводность дает возможность хорошо отводить тепло от провода датчика.

Читать еще:  Зачем нужен валютный счет

Металл обмотки обладает высоким удельным электрическим сопротивлением, стойкостью к коррозии, небольшим влиянием температуры, прочностью на истирание и разрыв. Этим требованиям соответствует манганин, константан, никельхромовые сплавы. Намотка также может быть ламельной или пленочной.

Скользящие контакты снижают надежность датчиков и усложняют конструкцию. Недостатки проволочных потенциометров:

  • низкая надежность контактов;
  • нестабильность переходного сопротивления между движком и обмоткой из-за окисления и электроэрозии провода;
  • дребезг контактов.

Большой ресурс имеют токопроводящие пластмассы, имеющие также лучшую линейность характеристики. Датчики на их основе применяются там, где требуется высокая надежность, особенно – в авиации.

Контакт щетки изготавливается с добавкой благородных металлов, чтобы они были мягче материала обмотки.

Схемы

Датчики потенциометрического типа имеют статическую характеристику — зависимость напряжения на выходе Uвых от перемещения контакта X. Связь между этими параметрами у ненагруженного потенциометра обычно линейная:

где L — длина датчика, k — чувствительность (k = Uпит/L).

В реальности потенциометрический датчик содержит нагрузочное сопротивление Rн в следующем звене системы автоматического управления, которое влияет на величину Uвых.

Низкая надежность датчиков, связанная с потерей контакта, обрывом обмотки или межвитковым замыканием, приводит к необходимости изменения схемы соединений.

Если знак сигнала на выходе не меняется, датчик называется однополярным. Он представляет собой простейшее устройство типа переменного резистора.

Схема потенциометрического датчика двухтактного типа применяется для автоматического регулирования, где на выходе изменяется знак сигнала в зависимости от того, какой он на входе. От этого зависит направление управляющего перемещения рабочего органа.

Напряжение может сниматься со щетки и с середины потенциометра. Применяются также другие схемы подключений. При питании постоянным током, когда подвижный контакт проходит через его среднюю точку, знак на выходе изменяется на противоположный. Если на обмотку подается напряжение переменного тока, изменяется фаза на 180 0 .

В автоматике используются нелинейные характеристики датчиков. Для этого изменяется диаметр проволоки вдоль намотки, шаг обмотки, применяются каркасы сложной формы, шунтируются участки потенциометров сопротивлениями.

Эксплуатационные характеристики

Характеристика холостого хода датчика представляет собой прямую линию (R/Rн = 0). Отклонение кривых от нее увеличивается с уменьшением сопротивления нагрузки Rн.

Кроме активного сопротивления у датчиков есть еще динамические нагрузки:

  1. Передаточная функция.
  2. Индуктивная составляющая.
  3. Собственные шумы при переходе подвижного контакта от витка к витку и от вибрации щетки.

Сопротивление между контактом движка и одним из выводов называется выходным. Измеряется его величина, сила тока или напряжение.

Погрешности датчиков

На реальные характеристики датчиков влияют следующие погрешности:

  1. Зона нечувствительности. При переходе контакта с одного витка провода на другой происходит скачок напряжения, величина которого определяется по формуле: DU=Uпит./W, где W – число витков.
  2. Неравномерность статической характеристики, связанная с колебаниями диаметра провода по длине, его удельным сопротивлением и точностью намотки.
  3. Наличие люфта между движком контакта и втулкой, влияющего на точность показаний.
  4. Неравномерность нажима щетки, влияющая на величину сопротивления контакта. Обычно силу прижатия движка к обмотке применяют достаточно большую. Однако сделать это не всегда удается, поскольку усилие от чувствительных элементов (мембран, поплавков, биметаллических пластин) — небольшое.
  5. Влияние электрического сопротивления нагрузки Rн. Ее величину выбирают в 10…100 раз больше сопротивления датчика.

Назначение

Потенциометрический датчик положения предназначен для следующих целей:

  • контроль и измерение перемещений механизмов, рабочих органов машин и других объектов;
  • звено обратной связи в робототехнике и в системах автоматики;
  • определение расстояний до объектов;
  • испытания в лабораториях, контроль работы механизмов.

Типы датчиков

Применение потенциометрического датчика зависит от типа:

  1. T/TS – высокоточный прибор (0,075%), работающий в диапазоне осевых перемещений 150 мм. Подходит для окружной скорости до 10 м/с. Конструкция – обеспечение перемещения стержня в двух направлениях по принципу делителя напряжения.
  2. TR/TRS – такой же, как предыдущий, но с возвратной пружиной. Перемещение достигает 100 мм. Выдерживает более высокие поперечные нагрузки на наконечнике.
  3. TE1 – модель, которая содержит электронную схему для нормализации сигналов с аналоговым выходом.
  4. TE1 с возвратной пружиной – модификация для решения более широкого круга задач. Датчик более устойчив при повышенных поперечных нагрузках.
  5. TEX – потенциометрический датчик с поворотной головкой и с отслеживанием линейных перемещений объектов на расстояние до 300 мм. Шарнирное соединение облегчает монтаж и обеспечивает длительный срок эксплуатации.
  6. TEX с приводной штангой с резьбой на конце. Дает возможность жестко фиксировать объект.
  7. TEX с возвратной пружиной не требует жесткого крепления объекта к штанге.
  8. TX2 с поворотной головкой или с крепежными хомутами. Применяются в тяжелых условиях эксплуатации. Уровень защиты составляет IP 67, точность — 0,05%.

Применение потенциометров в датчиках давления

Параметры работы различных устройств удобно преобразовывать в электрические сигналы. Потенциометрический датчик давления жидкости или газа применяют в системах подачи топлива в машинах, газа в магистралях и т. п. Обычно это мембранные измерительные приборы.

Под действием перепада давления на обеих сторонах мембраны происходит ее перемещение. При этом также поворачивается ползун. Если давления Р и Ри равны между собой, движок переходит в исходное левое положение, при котором устанавливается начальное сопротивление прибора. Когда Ри уменьшается, мембрана перемещается вправо, а ползунок устанавливает щетку потенциометра в положение, соответствующее перепаду давления.

Чтобы снизить погрешность дискретного изменения сопротивления потенциометра, количество витков на нем делают не менее 100. Ее можно полностью устранить, если перемещать щетку вдоль оси калиброванной проволоки реохорда.

Конструкции датчиков

Датчик линейного перемещения потенциометрический состоит из диэлектрического каркаса различной формы (пластины, цилиндра, кольца и др.), на который наматывается изолированный провод, присоединенный к зажимам и закрепленный хомутами на концах. По обмотке перемещается металлическая щетка. Для датчиков поворотного типа каркасы делаются кольцевой формы, продольного – прямолинейные. В местах контакта с движком изоляция на проводе отсутствует.

На зажимы подается напряжение питания. Выходной сигнал снимается между одним из концов провода и контактом щетки, хотя есть другие схемы подключений.

Каждый линейный потенциометрический датчик имеет статическую характеристику в виде зависимости величины выходного сигнала от перемещения контакта щетки.

Заключение

Потенциометрический датчик должен быть надежным, удобным и долговечным при его применении в измерительной технике и в системах автоматического регулирования. Устройства контроля положения объектов различаются по принципу действия и по видам сигналов выхода, которые должны соответствовать стандартам.

Потенциометрические датчики

Измерительные преобразователи, выполненные в виде реостата, подвижный контакт которого перемещается под воздействием входной измеряемой величины, называются реостатными измерительными преобразователями. Чаще всего реостатные ИП включаются в измерительную цепь по схеме потенциометра, поэтому в ряде источников используется термин «потенциометрические преобразователи».

Выходной величиной ИП является электрическое сопротивление, функционально связанное с положением подвижного контакта. Реостатные преобразователи служат для преобразования угловых или линейных перемещений в соответствующее изменение сопротивления, тока или напряжения. Так как в перемещение могут быть преобразованы многие неэлектрические величины (давление, расход, уровень и др.), то реостатные преобразователи очень часто используют в качестве промежуточных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

В зависимости от материала чувствительного элемента реостатные преобразователи разделяются на проволочные и непроволочные.

В устройствах автоматики широко применяют проволочные реостатные преобразователи, которые отличаются высокой точностью и стабильностью функции преобразования, имеют малое переходное сопротивление, низкий уровень собственных шумов, малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС). К их недостаткам относятся низкая разрешающая способность, сравнительно невысокое сопротивление (до десятков кОм), ограниченная возможность применения на переменном токе, обусловленная остаточными индуктивностью и емкостью намотки.

В зависимости от конструктивного исполнения различают реостатные преобразователи с поступательным и вращательным перемещением подвижного контакта. Последние, кроме того, делятся на одно- и многооборотные.

Рисунок 3.2 Потенциометрические датчики:

а- линейный; б- угловой; в- схема включения; г- статическая характеристика;

1- каркас; 2 – провод; 3- токосъёмный контакт

Подвижный контакт (щетка, движок) выполняют в виде двух-трех параллельных проволочек диаметром 0,1 . 0,2 мм, несколько отличающихся по длине (для прецизионных реостатных преобразователей), или из специально профилированной пластины с разрезами. Ширина контактной поверхности щетки должна быть равна двум-трем диаметрам проволоки чувствительного элемента.

К зажимам обмотки реостата подключается напряжение U постоянного или переменного тока неизменного значения. При перемещении движка выходное напряжение UВЫХ меняется пропорционально входной величине X. Таким образом осуществляется преобразование перемещения в напряжение (рис. 3.2, в). Учитывая, что по конструктивным особенностям R = l, r = X, где R — полное сопротивление преобразователя; l — длина намотки обмотки; r — сопротивление части обмотки, приходящейся на перемещение X движка реостата, функция преобразования будет иметь вид:

Источники:

http://studopedia.ru/5_156586_obshchie-svedeniya-o-potentsiometricheskih-datchikah.html
http://megaobuchalka.ru/13/590.html
http://electricalschool.info/main/drugoe/458-potenciometricheskie-datchiki.html
http://businessman.ru/potentsiometricheskiy-datchik-opisanie-ustroystvo-i-shema.html
http://helpiks.org/5-89852.html

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector
×
×
×
×