double arrow

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.


Рисунок 5.2 – Конструкция потенциометра: 1 – каркас; 2 – провод; 3 – ползунок Рисунок 5.3 – Реверсивный потенциометрический преобразователь: а) схема включения; б) статическая характеристика

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:

Uвых = U2 = f(x) или U2 = f(α).

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 = U0К – 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 < Rн < ∞):

где ;

– сопротивление потенциометра:

Rп = Rп1 + Rп2,

где Rп2 = Rx; Rп1 = Rп (1–K);

– величина относительной погрешности:

,

при k = 2/3.

Влияние нагрузки.Выходное напряжение, снимаемое с потенциометра, отличается от заданного на величину, зависящую от отношения полных сопротивлений потенциометра и нагрузки, а также от положения ползунка потенциометра.

При витом сопротивлении, по которому скользит контакт, величина Rп2 пропорциональна расстоянию ползунка от крайнего положения, а Rп пропорционально длине потенциометра:

Это соотношение справедливо лишь при условии, что на выходе имеется большое нагрузочное сопротивление Rн (по сравнению с величиной сопротивления потенциометра Rп в этом случае напряжение U2 является собственно напряжением холостого хода).

Если Rн < Rп, то

и тогда U2 зависит непосредственно от Rн.







Сейчас читают про: