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.
Электрическая схема потенциометрического датчика приведена на рис. 25
Рисунок 25
По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на
- проволочные с непрерывной намоткой;
- с резистивным слоем.
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:
-простота конструкции;
-малые габариты и вес;
-высокая степень линейности статических характеристик;
-стабильность 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 отгибания ползунка;
-искажение статической характеристики под влиянием нагрузки;
-сравнительно небольшой коэффициент преобразования;
-наличие зоны нечувствительности у проволочных потенциометрических датчиков.
Статическую характеристику нереверсивного потенциометрического датчика (См. рисунок 26) 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/Rп)r,
где Rп- сопротивление обмотки; r- сопротивление части обмотки.
Учитывая, что r/Rп=x/l, где l - общая длина намотки, получим Uвых=(U/l)x=Kx [В/м],
где К - коэффициент преобразования (передачи) датчика.
Рисунок 26
Очевидно, что такой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный). Существуют схемы чувствительные к изменению знака, например, схема на рис. 27. Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке 28
|
|
Рисунок 27
Рисунок 28
Полученные идеальные характеристики могут существенно отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей:
1.Зона нечувствительности. Выходное напряжение меняется дискретно от витка к витку, т.е. возникает эта зона, когда при малой величине перемещения Uвых не меняется.
Величина скачка напряжения определяется по формуле: DU=U/W, где W- число витков.
Порог чувствительности определяется диаметром намоточного провода
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.
5. Погрешность от влияния нагрузки.
При активной нагрузке (рис. 29) изменяется статическая характеристика (рис.30). Т.е. Uвых=f(r) зависит от Rн. При Rн>>Rп можно показать, что Uвых=(U/Rп)r;
При Rн, сравнимом с R, зависимость нелинейна, и максимальная погрешность датчика будет при отклонении движка на (2/3))l. Обычно выбирают Rн/Rп=10…100. Величина ошибки при x=(2/3)l может быть определена из выражения: E=4/27η, где η=Rп/Rн - коэффициент нагрузки.
Рисунок 29
а б
a - Эквивалентная схема потенциометрического датчика с нагрузкой, б - Влияние нагрузки на статическую характеристику потенциометрического датчика.
Рисунок 30