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

Потенциометрические датчики созданы для преобразования линейных либо угловых перемещений в электронный сигнал, также для проигрывания простых многофункциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа.

По методу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на

• ламельные с неизменными сопротивлениями;

• проволочные с непрерывной намоткой;

• с резистивным слоем.

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

В таких датчиках неизменные резисторы, подобранные по номиналу особым образом, припаиваются к ламелям.

Ламель представляет собой конструкцию с чередующимися проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт. При движении токосъемника от 1-го проводящего элемента к другому суммарное сопротивление присоединенных к нему резисторов изменяется на величину подобающую номиналу 1-го сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких границах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок.

Ламельный потенциометрический датчик

Проволочные потенциометрические датчики созданы для более четких измерений. Обычно их конструкции представляют собой каркас из гетинакса, текстолита либо керамики, на который в один слой, виток к витку намотана узкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник.

Поперечник проволоки определяет класс точности потенциометрического датчика (высокий-0,03-0,1 мм , маленький 0,1-0,4 мм). Материалы провода: манганин, фехраль, сплавы на базе великодушных металлов. Токосъемник выполнен из более мягенького материала, чтоб исключить перетирание провода.

Достоинства потенциометрических датчиков:

• простота конструкции;

• малые габариты и вес;

• высочайшая степень линейности статических черт;

• стабильность черт;

• возможность работы на переменном и неизменном токе.

Недочеты потенциометрических датчиков:

• наличие скользящего контакта, который может стать предпосылкой отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков либо отгибание ползунка;

• погрешность в работе за счет нагрузки;

• сравнимо маленький коэффициент преобразования;

• высочайший порог чувствительности;

• наличие шумов;

• подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

Статическая черта потенциометрических датчиков

Статическая черта нереверсивного потенциометрического датчика

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

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

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

где К — коэффициент преобразования (передачи) датчика.

Разумеется, что таковой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный). Есть схемы чувствительные к изменению знаку. Статическая черта такового датчика имеет вид представленный на рисунке.

Реверсивная схема потенциометрического датчика

Статическая черта реверсивного потенциометрического датчика

Приобретенные безупречные свойства могут значительно отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей:

1.Зона нечувствительности.

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

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

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

Зона нечувствительности потенциометрического датчика

2.Неравномерность статической свойства из-за непостоянства поперечника провода, удельного сопротивления и шага намотки.

3.Погрешность от свободного хода, возникающего меж осью вращения движка и направляющей втулкой (для уменьшения употребляют поджимные пружины).

4. Погрешность от трения.

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

Нужно кропотливо регулировать нажим щетки.

5.Погрешность от воздействия нагрузки.

Зависимо от нрава нагрузки появляется погрешность, как в статическом, так и в динамическом режимах. При активной нагрузке меняется статическая черта. Величина выходного напряжения будет определяться в согласовании с выражением: Uвых=(UrRн)/(RRн+Rr-r2)

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

при Rн примерно равном R зависимость нелинейна, и наибольшая 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=4/27η, где η=Rн/R — коэффициент нагрузки.

Потенциометрический датчик под нагрузкой

Динамические свойства потенциометрических датчиков

Передаточная функция

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

Разглядим два варианта:

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 макаром, мы получили безынерционное звено, а означает датчик имеет все, надлежащие этому звену частотные и временные свойства.

Схема замещения

2. Нагрузка индуктивная с наличием активной составляющей.

U=RвнIн+L(dIн/dt)+RнIн

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

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

где K=K1/(Rвн+Rн)

T=L/(Rвн+Rн);

Собственные шумы потенциометрического датчика

Как было показано, при движении щетки от витка к витку напряжение на выходе изменяется 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 диапазон вибрационного шума лежит в области звуковых частот.

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

Многофункциональные потенциометрические датчики

Стоит отметить, что в автоматике нередко для получения нелинейных зависимостей употребляются многофункциональные передаточной функции. Их построение делается 3-мя методами:

• конфигурацией поперечника проволоки повдоль намотки;

• конфигурацией шага намотки;

• применением каркаса определенной конфигурации;

• шунтированием участков линейных потенциометров сопротивлениями различной величины.

К примеру, чтоб получить квадратичную зависимость по 3-му методу, необходимо чтоб ширина каркаса изменялась по линейному закону, как это показано на рисунке.

Многофункциональный потенциометрический датчик

Многооборотный потенциометр

Обыденные потенциометрические датчики имеют ограниченный спектр работы. Его величина задана геометрическими размерами каркаса и числом витков обмотки. Их наращивать безгранично нельзя. Потому отыскали применение многооборотные потенциометрические датчики, у каких резистивный элемент свит по винтообразной полосы с несколькими витками, их ось должна оборотиться пару раз, чтоб движок переместился с 1-го конца обмотки на другой, т.е. электронный спектр таких датчиков кратен 3600.

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

Фотопотенциометры

Фотопотенциометр − представляет собой бесконтактный аналог обыденного потенциометра с резистивным слоем, механический контакт в нем заменен фотопроводящим, что, естественно, увеличивает надежность и срок службы. Сигналом с фотопотенциометра управляет световой зонд, выполняющий роль движка. Он формируется особым оптическим устройством и может сдвигаться в итоге наружного механического воздействия повдоль фотопроводящего слоя. В месте засветки фотослоя появляется лишная по сопоставлению с темновой фотопроводимость и создается электронный контакт.

Фотопотенциометры делятся по предназначению на линейные и многофункциональные.

Многофункциональные фотопотенциометры позволяют пространственное перемещение источника света конвертировать в электронный сигнал данного многофункционального вида за счет профилированного резистивного слоя (гиперболические, экспоненциальные, логарифмические).