Senzori potențiometrici

Un senzor potențiometru este un rezistor variabil căruia i se aplică o tensiune de alimentare, valoarea sa de intrare este deplasarea liniară sau unghiulară a contactului de colectare a curentului, iar valoarea de ieșire este tensiunea luată de acest contact, care se modifică în mărime odată cu poziția sa. schimbări.

Senzorii potențiometrici sunt proiectați pentru a converti deplasările liniare sau unghiulare într-un semnal electric, precum și pentru a reproduce cele mai simple dependențe funcționale în dispozitivele automate și automate de tip continuu.

Schema de conectare a senzorului potențiometric

Prin rezistență, senzorii potențiometrici sunt împărțiți în

• lamele cu rezistență constantă;

• bobina de sarma cu infasurare continua;

• cu un strat rezistiv.

Senzorii potențiometrici lamelari au fost utilizați pentru a efectua măsurători relativ grosiere din cauza anumitor defecte de proiectare.

În astfel de senzori, rezistențele constante, selectate nominal într-un mod special, sunt lipite pe lamele.

Lamela este o structură cu elemente conductoare și neconductoare alternative pe care alunecă contactul colectorului.Când colectorul de curent este mutat de la un element conducător la altul, rezistența totală a rezistențelor conectate la acesta se modifică cu o valoare corespunzătoare valorii nominale a unei rezistențe. Modificarea rezistenței poate avea loc într-un interval larg. Eroarea de măsurare este determinată de dimensiunea plăcuțelor de contact.

Senzor potențiometru lamelar

Senzorii potențiometrului cu fir sunt proiectați pentru măsurători mai precise. De regulă, desenele lor sunt un cadru din getinax, textolit sau ceramică, pe care un fir subțire este înfășurat într-un strat, se întoarce pe rând, pe suprafața curățată a căruia alunecă un colector de curent.

Diametrul firului determină clasa de precizie senzor potențiometru (înaltă este 0,03-0,1 mm, scăzută este 0,1-0,4 mm). Materiale de sârmă: manganin, fechral, ​​aliaje pe bază de metale nobile. Inelul de alunecare este realizat dintr-un material mai moale pentru a preveni frecarea firului.

Avantajele senzorilor potențiometru:

• simplitatea designului;

• dimensiuni și greutate reduse;

• grad ridicat de liniaritate a caracteristicilor statice;

• stabilitatea caracteristicilor;

• posibilitatea de functionare pe curent alternativ si curent continuu.

Dezavantajele senzorilor potențiometru:

• prezența unui contact de alunecare, care poate provoca daune din cauza oxidării urmei de contact, frecarea spirelor sau îndoirea glisorului;

• eroare de funcționare din cauza sarcinii;

• factor de conversie relativ mic;

• prag de sensibilitate ridicat;

• prezența zgomotului;

• susceptibilitate la eroziune electrică sub influența descărcărilor de impuls.

Caracteristica statică a senzorilor potențiometrici

Caracteristica statică a unui senzor potențiometric ireversibil

Să luăm ca exemplu un senzor potențiometru cu bobină continuă. La bornele potențiometrului se aplică o tensiune AC sau DC U. Valoarea de intrare este deplasarea X, valoarea de ieșire este tensiunea Uout. Pentru modul inactiv, caracteristica statică a senzorului este liniară deoarece relația este adevărată: Uout = (U / R) r,

unde R este rezistența bobinei; r este rezistența unei părți a bobinei.

Având în vedere că r / R = x / l, unde l este lungimea totală a bobinei, obținem Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

unde K este coeficientul de conversie (transmisie) al senzorului.

Evident, un astfel de senzor nu va răspunde la o schimbare a semnului semnalului de intrare (senzorul este ireversibil). Există scheme care sunt sensibile la modificările semnăturilor. Caracteristica statică a unui astfel de senzor are forma prezentată în figură.

Circuit reversibil al unui senzor potențiometru

Caracteristica statică a unui senzor potențiometric reversibil

Caracteristicile ideale rezultate pot diferi semnificativ de cele reale datorită prezenței diferitelor tipuri de erori:

1. Zona moartă.

Tensiunea de ieșire variază discret de la o tură la alta, adică. această zonă apare atunci când, pentru o valoare de intrare mică, Uout nu se modifică.

Mărimea saltului de tensiune este determinată de formula: DU = U / W, unde W este numărul de spire.

Pragul de sensibilitate este determinat de diametrul firului bobinei: Dx = l / W.

Senzor potențiometric pentru bandă moartă

2. Neregularitatea caracteristicilor statice din cauza variabilității diametrului firului, rezistenței și pasului de înfășurare.

3. O eroare de la jocul care a apărut între axa de rotație a motorului și manșonul de ghidare (arcuri de compresie sunt folosite pentru a o reduce).

4.Eroare din cauza frecării.

La puteri mici ale elementului care antrenează peria senzorului potențiometrului, poate apărea o zonă de stagnare din cauza frecării.

Presiunea periei trebuie reglată cu atenție.

5. Eroare din cauza influenței sarcinii.

În funcție de natura sarcinii, apare o eroare, atât în ​​modul static, cât și în modul dinamic. Cu o sarcină activă, caracteristica statică se modifică. Valoarea tensiunii de ieșire va fi determinată conform expresiei: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Aceste. Uout = f (r) depinde de Rn. Cu Rn >> R se poate arăta că Uout = (U / R) r;

când Rn este aproximativ egal cu R, dependența este neliniară și eroarea maximă a senzorului va fi atunci când glisorul se abate de la (2/3))l. De obicei, alegeți Rн / R = 10 … 100. Mărimea erorii la x = (2/3) l poate fi determinată prin expresia: E = 4/27η, unde η= Rн / R — factor de sarcină.

Senzor potențiometric sub sarcină

a — Circuitul echivalent al unui senzor potențiometric cu o sarcină, b — Influența sarcinii asupra caracteristicii statice a senzorului potențiometric.

Caracteristicile dinamice ale senzorilor potențiometrici

Funcția de transmisie

Pentru a deriva funcția de transfer, este mai convenabil să luați curentul de sarcină ca valoare de ieșire; poate fi determinat folosind teorema generatorului echivalent. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Luați în considerare două cazuri:

1. Sarcina este pur activă Zn = Rn deoarece Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

unde K1 este viteza de mers în gol a senzorului.

Aplicând transformata Laplace, obținem funcția de transfer W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

În acest fel, am obținut o conexiune fără inerție, ceea ce înseamnă că senzorul are toate caracteristicile de frecvență și timp corespunzătoare acestei conexiuni.

Circuit echivalent

2. Sarcina inductivă cu o componentă activă.

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

Aplicând transformata Laplace, obținem Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Prin transformări, se poate ajunge la o funcție de transfer de forma W (p) = K / (Tp + 1) — o conexiune aperiodică de ordinul I,

unde K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L/(Rvn + Rn);

Zgomotul intern al senzorului potențiometrului

După cum se arată, pe măsură ce peria se mișcă de la o tură la alta, tensiunea de ieșire se modifică brusc. Eroarea creată prin treptare este sub forma unei tensiuni din dinte de ferăstrău suprapusă tensiunii de ieșire a funcției de transfer, adică. este zgomot. Dacă peria vibrează, mișcarea creează și zgomot (interferență). Spectrul de frecvență al zgomotului vibrațional este în domeniul de frecvență audio.

Pentru a elimina vibrațiile, pantografele sunt realizate din mai multe fire de lungimi diferite pliate împreună. Atunci frecvența naturală a fiecărui fir va fi diferită, acest lucru împiedicând apariția rezonanței tehnice. Nivelul de zgomot termic este scăzut, ele sunt luate în considerare în sistemele deosebit de sensibile.

Senzori potențiometrici funcționali

Trebuie remarcat faptul că în automatizare funcțiile de transfer funcțional sunt adesea folosite pentru a obține dependențe neliniare, acestea fiind construite în trei moduri:

• modificarea diametrului firului de-a lungul bobinei;

• schimbarea pasului bobinei;

• utilizarea unui cadru cu o anumită configurație;

• prin manevrarea secţiunilor potenţiometrelor liniare cu rezistenţe de diferite dimensiuni.

De exemplu, pentru a obține o dependență pătratică conform celei de-a treia metode, este necesar să se schimbe liniar lățimea cadrului, așa cum se arată în figură.

Senzor potențiometru funcțional

Potențiometru cu mai multe ture

Senzorii potențiometru convenționali au un domeniu de operare limitat. Valoarea sa este determinată de dimensiunile geometrice ale cadrului și de numărul de spire a bobinei. Ele nu pot crește la infinit. Prin urmare, senzorii potențiometru multi-turn și-au găsit aplicație, în cazul în care un element rezistiv este răsucit într-o linie spiralată cu mai multe spire, axa acestora trebuie rotită de mai multe ori, astfel încât motorul să se deplaseze de la un capăt la celălalt al bobinei, adică. raza electrică a acestor senzori este un multiplu de 3600.

Principalul avantaj al potențiometrelor cu mai multe ture este rezoluția și precizia lor ridicată, care se realizează datorită lungimii mari a elementului rezistiv cu dimensiuni de gabarit mici.

Fotopotențiometre

Fotopotențiometru - este un analog fără contact al potențiometrului convențional cu un strat rezistiv, contactul mecanic din acesta este înlocuit cu unul fotoconductiv, care, desigur, crește fiabilitatea și durata de viață. Semnalul de la fotopotențiometru este controlat de o sondă de lumină care acționează ca un glisor. Este format dintr-un dispozitiv optic special și poate fi deplasat ca urmare a acțiunii mecanice exterioare de-a lungul stratului fotoconductor. În punctul în care fotostratul este expus, apare fotoconductivitate în exces (comparativ cu întuneric) și se realizează un contact electric.

Fotopotențiometrele sunt împărțite în funcție de scop în liniare și funcționale.

Fotopotențiometrele funcționale permit ca mișcarea spațială a sursei de lumină să fie convertită într-un semnal electric cu o formă funcțională dată datorită stratului rezistiv profilat (hiperbolic, exponențial, logaritmic).