Potenciometrické snímače

Senzor potenciometra je premenlivý odpor, na ktorý je privedené napájacie napätie, jeho vstupná hodnota je lineárne alebo uhlové posunutie kontaktu zberajúceho prúd a výstupná hodnota je napätie odoberané týmto kontaktom, ktorého veľkosť sa mení podľa jeho polohy. zmeny.

Potenciometrické snímače sú určené na premenu lineárnych alebo uhlových posunov na elektrický signál, ako aj na reprodukciu najjednoduchších funkčných závislostí v automatických a automatických zariadeniach spojitého typu.

Schéma zapojenia potenciometrického snímača

Podľa odporu sa potenciometrické snímače delia na

• lamely s konštantným odporom;

• drôtená cievka s kontinuálnym vinutím;

• s odporovou vrstvou.

Lamelové potenciometrické snímače boli použité na vykonávanie relatívne hrubých meraní kvôli určitým konštrukčným chybám.

V takýchto snímačoch sú konštantné odpory, vybrané nominálne špeciálnym spôsobom, prispájkované k lamelám.

Lamela je konštrukcia so striedajúcimi sa vodivými a nevodivými prvkami, po ktorej sa nasúva kontakt kolektora.Keď sa zberač prúdu presunie z jedného vodivého prvku na druhý, celkový odpor odporov, ktoré sú k nemu pripojené, sa zmení o hodnotu zodpovedajúcu menovitej hodnote jedného odporu. Zmena odporu sa môže vyskytnúť v širokom rozsahu. Chyba merania je určená veľkosťou kontaktných plôšok.

Lamelový potenciometer snímač

Snímače drôtového potenciometra sú určené pre presnejšie merania. Ich dizajnom je spravidla rám vyrobený z getinaxu, textolitu alebo keramiky, na ktorom je v jednej vrstve navinutý tenký drôt, ktorý sa otáča v zákrute, na ktorého čistenom povrchu sa kĺže zberač prúdu.

Priemer drôtu určuje trieda presnosti snímač potenciometra (vysoký je 0,03-0,1 mm, nízky je 0,1-0,4 mm). Materiály drôtu: manganín, fechral, ​​zliatiny na báze ušľachtilých kovov. Klzný krúžok je vyrobený z mäkšieho materiálu, aby sa zabránilo odieraniu drôtu.

Výhody potenciometrových snímačov:

• jednoduchosť dizajnu;

• malá veľkosť a hmotnosť;

• vysoký stupeň linearity statických charakteristík;

• stabilita charakteristík;

• možnosť prevádzky na striedavý a jednosmerný prúd.

Nevýhody potenciometrových snímačov:

• prítomnosť klzného kontaktu, ktorý môže spôsobiť poškodenie v dôsledku oxidácie kontaktnej stopy, odierania závitov alebo ohýbania posúvača;

• chyba v prevádzke v dôsledku zaťaženia;

• relatívne malý konverzný faktor;

• vysoký prah citlivosti;

• prítomnosť hluku;

• náchylnosť k elektrickej erózii pod vplyvom impulzných výbojov.

Statická charakteristika potenciometrických snímačov

Statická charakteristika ireverzibilného potenciometrického snímača

Uvažujme ako príklad potenciometrový snímač so spojitou cievkou. Na svorky potenciometra je privedené striedavé alebo jednosmerné napätie U. Vstupná hodnota je posunutie X, výstupná hodnota je napätie Uout. Pre režim nečinnosti je statická charakteristika snímača lineárna, pretože platí vzťah: Uout = (U / R) r,

kde R je odpor cievky; r je odpor časti cievky.

Vzhľadom na to, že r / R = x / l, kde l je celková dĺžka cievky, dostaneme Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

kde K je prevodný (prenosový) koeficient snímača.

Je zrejmé, že takýto snímač nebude reagovať na zmenu znamienka vstupného signálu (snímač je nevratný). Existujú schémy, ktoré sú citlivé na zmeny v podpisoch. Statická charakteristika takéhoto snímača má tvar znázornený na obrázku.

Reverzibilný obvod snímača potenciometra

Statická charakteristika reverzibilného potenciometrického snímača

Výsledné ideálne charakteristiky sa môžu výrazne líšiť od skutočných v dôsledku prítomnosti rôznych typov chýb:

1. Mŕtva zóna.

Výstupné napätie sa mení diskrétne od závitu k závitu, t.j. táto zóna nastane, keď sa pre malú vstupnú hodnotu Uout nezmení.

Veľkosť skoku napätia je určená vzorcom: DU = U / W, kde W je počet závitov.

Prah citlivosti je určený priemerom drôtu cievky: Dx = l / W.

Potenciometrický snímač pre pásmo necitlivosti

2. Nepravidelnosť statických charakteristík v dôsledku variability priemeru drôtu, odporu a stúpania vinutia.

3. Chyba z vôle, ktorá sa vyskytla medzi osou otáčania motora a vodiacou objímkou ​​(na jej zmenšenie sa používajú tlačné pružiny).

4.Chyba v dôsledku trenia.

Pri nízkych výkonoch prvku poháňajúceho kefu snímača potenciometra môže v dôsledku trenia vzniknúť zóna stagnácie.

Tlak kefy musí byť starostlivo nastavený.

5. Chyba spôsobená vplyvom zaťaženia.

V závislosti od charakteru záťaže dochádza k chybe, a to v statickom aj dynamickom režime. Pri aktívnom zaťažení sa mení statická charakteristika. Hodnota výstupného napätia bude určená podľa výrazu: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Títo. Uout = f (r) závisí od Rn. Pomocou Rn >> R možno ukázať, že Uout = (U / R) r;

keď je Rn približne rovné R, závislosť je nelineárna a maximálna chyba snímača bude, keď sa posuvník odchýli od (2/3))l. Zvyčajne zvoľte Rн / R = 10 … 100. Veľkosť chyby pri x = (2/3) l možno určiť výrazom: E = 4/27η, kde η= Rн / R — faktor zaťaženia.

Potenciometrický snímač pri zaťažení

a — Ekvivalentný obvod potenciometrického snímača so záťažou, b — Vplyv zaťaženia na statickú charakteristiku potenciometrického snímača.

Dynamické charakteristiky potenciometrických snímačov

Prenosová funkcia

Na odvodenie prenosovej funkcie je vhodnejšie brať záťažový prúd ako výstupnú hodnotu; dá sa určiť pomocou ekvivalentnej generátorovej vety. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Zvážte dva prípady:

1. Záťaž je čisto aktívna Zn = Rn, pretože Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

kde K1 sú voľnobežné otáčky snímača.

Aplikovaním Laplaceovej transformácie získame prenosovú funkciu W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

Takto sme získali spojenie bez zotrvačnosti, čo znamená, že senzor má všetky frekvenčné a časové charakteristiky zodpovedajúce tomuto zapojeniu.

Ekvivalentný obvod

2. Indukčná záťaž s aktívnou zložkou.

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

Aplikovaním Laplaceovej transformácie získame Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Transformáciami možno dospieť k prenosovej funkcii tvaru W (p) = K / (Tp + 1) — aperiodické spojenie 1. rádu,

kde K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L/ (Rvn + Rn);

Vnútorný hluk snímača potenciometra

Ako je znázornené, keď sa kefa pohybuje z jednej otáčky na druhú, výstupné napätie sa náhle zmení. Chyba vzniknutá krokovaním je vo forme pílovitého napätia superponovaného na výstupné napätie prenosovej funkcie, t.j. je hluk. Ak kefka vibruje, pohyb tiež vytvára hluk (rušenie). Frekvenčné spektrum vibračného hluku je v rozsahu zvukových frekvencií.

Na elimináciu vibrácií sú pantografy vyrobené z niekoľkých drôtov rôznych dĺžok zložených dohromady. Potom bude prirodzená frekvencia každého drôtu iná, čo zabráni vzniku technickej rezonancie. Úroveň tepelného hluku je nízka, berú sa do úvahy v obzvlášť citlivých systémoch.

Funkčné potenciometrické snímače

Treba poznamenať, že v automatizácii sa na získanie nelineárnych závislostí často používajú funkcie prenosu funkcií, ktoré sú konštruované tromi spôsobmi:

• zmena priemeru drôtu pozdĺž cievky;

• zmena rozstupu cievky;

• použitie rámu s určitou konfiguráciou;

• manévrovaním sekcií lineárnych potenciometrov s odpormi rôznych veľkostí.

Napríklad na získanie kvadratickej závislosti podľa tretej metódy je potrebné lineárne meniť šírku rámu, ako je znázornené na obrázku.

Funkčný snímač potenciometra

Viacotáčkový potenciometer

Bežné potenciometrové snímače majú obmedzený pracovný rozsah. Jeho hodnota je určená geometrickými rozmermi rámu a počtom závitov cievky. Nemôžu sa zvyšovať donekonečna. Uplatnenie preto našli snímače viacotáčkového potenciometra, kde je odporový prvok stočený v špirálovej línii s niekoľkými závitmi, ich osou treba niekoľkokrát pootočiť, aby sa motor pohyboval z jedného konca cievky na druhý, t.j. elektrický dosah takýchto snímačov je násobkom 3600.

Hlavnou výhodou viacotáčkových potenciometrov je ich vysoké rozlíšenie a presnosť, ktorá je dosiahnutá vďaka veľkej dĺžke odporového prvku pri malých celkových rozmeroch.

Fotopotenciometre

Fotopotenciometer — je bezkontaktný analóg bežného potenciometra s odporovou vrstvou, mechanický kontakt v ňom je nahradený fotovodivým, čo samozrejme zvyšuje spoľahlivosť a životnosť. Signál z fotopotenciometra je riadený svetelnou sondou, ktorá funguje ako posúvač. Je tvorený špeciálnym optickým zariadením a môže byť posunutý v dôsledku vonkajšieho mechanického pôsobenia pozdĺž fotovodivej vrstvy. V mieste, kde je fotovrstva odkrytá, nastáva nadmerná (v porovnaní s tmavou) fotovodivosť a vzniká elektrický kontakt.

Fotopotenciometre delíme podľa účelu na lineárne a funkčné.

Funkčné fotopotenciometre umožňujú previesť priestorový pohyb svetelného zdroja na elektrický signál s daným funkčným tvarom vďaka profilovanej odporovej vrstve (hyperbolický, exponenciálny, logaritmický).