Потенциометрические датчики предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал. Основной частью датчика является реостат, сопротивление которого изменяется при перемещении движка, скользящего по проволоке (схема включения потенциометрического датчика показана на рис. 4.1, а).
Напряжение питания подается на всю обмотку реостата через неподвижные выводы этой обмотки. Выходное напряжение, пропорциональное перемещению движка, снимается с одного из неподвижных выводов и с подвижного движка. Такая схема включения в электротехнике называется потенциометрической или схемой делителя напряжения.
Если сопротивление всей обмотки датчика обозначить через R, а сопротивление части этой обмотки, с которой снимается выходное напряжение, через Rвых, то потенциометрическая схема включения датчика может быть представлена как последовательное соединение резисторов с сопротивлением rвых и (R- Rвых) (рис. 4.1, б).
Ток через обмотку датчика I= U/R, а приложенное напряжение распределяется (делится) между последовательно соединенными резисторами: U= I Rвых + I(R — Rвых).
Если сопротивление обмотки равномерно распределить по длине I, а перемещение движка обозначить через х, то выходное напряжение датчика
Uвых = IRвых = Ux/I.
Таким образом, выходной сигнал датчика пропорционален перемещению движка.
В автоматических системах движок может быть механически связан с каким-либо устройством (клапаном, рулем, антенной, режущим инструментом и т. п.), положение которого надо измерить и передать в виде электрического сигнала. Усилие, под действием которого перемещается движок, в этом случае весьма велико. Поэтому для обеспечения надежного контакта между движком и обмоткой следует иметь достаточно большую силу прижатия движка. В автоматических приборах для измерения различных неэлектрических величин движок датчика соединяется с чувствительным элементом, преобразующим контролируемую величину в перемещение. Усилие, развиваемое чувствительными элементами (мембранами, биметаллическими пластинами, поплавками и т. п.), невелико. Поэтому нельзя сильно прижимать движок к обмотке.
Наличие скользящего контакта снижает надежность потенциометрического датчика и является его основным недостатком. Для питания датчика может быть использовано как напряжение постоянного тока, так и напряжение переменного тока невысокой частоты. Входным сигналом датчика может быть не только линейное, но и угловое перемещение.
Параметрические датчики активного сопротивления
... выполнены потенциометры (рис. 7.3, б, в). Сопротивление между движком и одним из выводов (например, 5) намотки называют выходным сопротивлением датчика Rвых. При перемещении щетки в пределах одного ... для ручной коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока с номинальным напряжением до 500 В. Универсальные переключатели выпускают открытого, защищенного, герметического и ...
В зависимости от закона изменения сопротивления обмотки различают линейные и функциональные потенциометрические датчики.
Конструкции датчиков
Конструктивно потенциометрический датчик (рис. 4.2) состоит из каркаса 1, на который намотана в один слой обмотка 2 из тонкого провода. По виткам обмотки скользит движок (щетка) 3, который механически связан с объектом, перемещение которого надо измерить. Обмотка выполнена из изолированного провода, а дорожка, по которой скользит движок, предварительно очищена от изоляции.
Каркас выполнен обычно плоским или в виде цилиндра. Материалом каркаса может быть изолятор (текстолит, гетинакс, пластмасса, керамика) или металл, покрытый слоем изоляции. Металлические каркасы благодаря лучшей теплопроводности позволяют получить большую мощность электрического сигнала на выходе датчика. В качестве материала для такого каркаса может быть нанесен слой оксидированного алюминия толщиной около 10 мкм. При рассматривании в лупу с двадцатикратным увеличением слой не должен иметь трещин или неровностей. Напряжение пробоя такого слоя не менее 500 В.
Для обмотки потенциометрического датчика чаще всего применяют провод из манганина, константана и других проводниковых материалов, имеющих малый температурный коэффициент сопротивления. При больших усилиях прижатия движка используется провод диаметром 0,1—0,3 мм, при малых усилиях прижатия — провод из сплавов, в состав которых входят платина, серебро, иридий, рубидий, осмий и др. Диаметр провода d таких точных датчиков выбирается в пределах 0,03—0,01 мм. Характеристики некоторых проводниковых материалов, используемых для потенциометрических датчиков, приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1. Материалы проводов, используемых для потенциометрических датчиков
|
Материал провода |
Удельное сопротивление при t = 20 °С, Ом•мм2/м |
Температурный коэффициент сопротивления α, 1/°С |
Допустимая температура нагрева, °С |
|
Константан |
0,49 |
(3÷4)
|
500 |
|
Манганин |
0,42 |
6 ÷10-6 |
960 |
|
Нихром |
1,08 |
(15÷20)
|
110 |
|
Вольфрам |
0,056 |
464÷10-6 |
3400 |
|
Платиноиридиевый сплав |
0,23 |
-111÷10-6 |
1780 |
Провод наматывается на каркас с некоторым натяжением. При этом необходимо, во-первых, чтобы при понижении температуры провод не распускался из-за разных температурных коэффициентов линейного расширения материалов провода и каркаса; во-вторых, чтобы при нагреве корпуса провод при растяжении не достигал предела упругости. Толщину каркаса не рекомендуется брать менее 4d, а радиус закругления на углах каркаса — менее 2d. После намотки провода на каркас для укрепления витков и предохранения их от смещения всю поверхность покрывают тонким равномерным слоем бескислотного лака. Полировка контактной поверхности обмотки (дорожки движения) производится вдоль витков абразивной шкуркой на бумажной основе, шлифовальным алмазным кругом с микропорошком, а проводов с эмалевой изоляцией — фетровым кругом. Ширина дорожки составляет обычно (2÷3)d.
При d=0,1÷0,3 мм движок потенциометрического датчика выполняется в виде пластинчатых щеток из серебра, серебра с палладием или (реже) фосфористой бронзы. Контактное усилие при этом принимается равным 0,05—0,1 Н, что обеспечивает силу трения не более 3
- 10-2 Н. Для точных датчиков при d<
- 0,1 мм движок делается из сплавов платины с иридием, бериллием или серебром в виде двух—пяти тонких параллельных проволок. Контактное усилие при этом принимается равным 10-3—10-2 Н, т. е. иногда оно достигает 2
- 10-4 Н (20 мг) на отдельный контакт. Столь малые контактные усилия необходимы для высокоточных потенциометрических датчиков, используемых, например, в ответственных космических объектах.
На рис. 4.3 приведена конструкция потенциометрического датчика для измерения угловых перемещений. Так же как и датчик линейных перемещений, он состоит из каркаса 1 с обмоткой 2, по которой скользит движок 3. Для съема сигнала с перемещающегося движка служит добавочная щетка 4, скользящая по токосъемному кольцу 5. Выходное напряжение датчика угловых перемещений пропорционально углу поворота подвижной части первичного измерителя, соединенного с осью движка.
В некоторых автоматических приборах в качестве потенциометрического датчика используют так называемый реохорд (рис. 4.4).
Он представляет собой натянутую проволоку, по которой скользит ползунок. Сопротивление реохорда пропорционально перемещению ползунка. Часто реохорд используют не в потенциометрической схеме, а включают в плечо мостовой схемы. В этом случае перемещение движка преобразуется в изменение сопротивления R.
Характеристики линейного потенциометрического датчика
Основной характеристикой потенциометрического датчика является зависимость выходного напряжения Uвых от перемещения х. При равномерной намотке эта зависимость линейная только на холостом ходу, т. е. при отсутствии сопротивления нагрузки, подключенной к выходным зажимам датчика. В реальных условиях к этим зажимам подключаются электрические приборы, входное сопротивление которых является сопротивлением нагрузки для датчика (рис. 4.5).
Под нагрузкой обычно понимается ток нагрузки. Когда говорят, что «нагрузка отсутствует», то подразумевают, что именно ток нагрузки равен нулю. Сопротивление же нагрузки при этом, естественно, равно бесконечности. Следовательно, в режиме холостого хода (т. е. при отсутствии нагрузки) сопротивление нагрузки бесконечно велико.
Для анализа влияния сопротивления нагрузки RH на основную характеристику датчика, полное сопротивление обмотки которого R, введем понятие коэффициента нагрузки β = RH /R и α = х/1. Выходное напряжение датчика
По этому уравнению построим зависимость Uвых /U = f(α), где U — напряжение питания датчика, для различных значений β (рис. 4.6).
С уменьшением сопротивления нагрузки характеристика датчика становится нелинейной и возрастает ошибка преобразования. Относительная погрешность для нагруженного датчика может быть найдена сопоставлением выражений (4.1) и (4.2):
- Отношение перемещения движка х к длине намотки l обозначаем через α= х/l. Если датчик не нагружен, т. е. сопротивление нагрузки RH =∞ и β = ∞, то выходное напряжение линейно возрастает при изменении α от 0 до 1;
- Uвых = αU. Графически эта зависимость изображается прямой линией. При наличии сопротивления нагрузки RH, соизмеримого с сопротивлением обмотки R, эта зависимость отличается от линейной, поскольку часть тока, проходящего через датчик, ответвляется в нагрузку. Ток, поступающий от источника питания,
Или, подставляя RH= βR, имеем
На рис. 4.7 построены кривые 1, 2, характеризующие относительную погрешность датчика при β =1; 0,5 соответственно. При больших β абсолютная величина максимальной погрешности δmах = (4/27) β при α= 2/3.
Важной характеристикой качества потенциометрического датчика является плавность изменения выходного напряжения. При перемещении движка по обмотке потенциометра происходит скачкообразное изменение сопротивления, поскольку движок как бы перескакивает с одного витка на другой. Это приводит к тому, что зависимость выходного напряжения от перемещения имеет ступенчатый вид (рис. 4.8).
Число ступеней пропорционально, а их высота обратно пропорциональна числу витков обмотки. Реальная выходная характеристика имеет отклонения от идеальной (плавной, бесступенчатой) как вверх, так и вниз. Следовательно, погрешность, вызванная ступенчатостью, может быть как положительной, так и отрицательной и составляет половину напряжения UB, приходящегося на один виток намотки. Если обозначить через ω общее число витков потенциометра, то UB = U/ ω и погрешность ступенчатости ∆≤ U/(2 ω).
Для количественной оценки погрешности, обусловленной ступенчатостью, вводят понятие электрической разрешающей способности потенциометра δр. Разрешающая способность определяет максимально возможную точность работы потенциометрического датчика. Улучшить ее можно, увеличивая число витков ω. Для этого можно либо удлинить намотанную часть потенциометра l (при заданном диаметре провода), либо уменьшить сечение провода. Уменьшение диаметра провода приводит к технологическим трудностям изготовления обмотки, но, самое главное, снижает надежность потенциометра, поскольку ухудшается механическая прочность обмотки и она быстрее истирается.
Увеличение длины обмотки, естественно, приводит к увеличению размеров всего потенциометра. Для устранения этого недостатка были разработаны многооборотные потенциометры.
Для улучшения разрешающей способности можно также применять движки с несколькими токосъемными контактами. На рис. 4.9 показан движок с двумя контактами 1 и 2, которые касаются обмотки 3 в двух диаметрально противоположных точках. Наличие двух параллельных контактов повышает и надежность потенциометра.
Принципиально отсутствует погрешность, обусловленная ступенчатостью у датчиков типа реохорда, где движок скользит вдоль натянутой проволоки. Эти датчики имеют малое сопротивление и выходное напряжение, т. е. низкую чувствительность, поэтому в потенциометрических схемах включения они не нашли практического применения. Чувствительность датчика может быть определена как первая производная выходного напряжения по перемещению движка. Для ненагруженного потенциометра чувствительность потенциометра пропорциональна напряжению питания датчика и обратно пропорциональна длине намотки.
Реверсивные потенциометрические датчики
Выходное напряжение реверсивных датчиков изменяет знак (полярность) при изменении знака входного сигнала. В системах автоматического регулирования обычно требуются именно реверсивные (или двухтактные) датчики.
Схемы реверсивных потенциометрических датчиков показаны на рис. 4.10. В схеме на рис. 4.10, а используется потенциометр с неподвижным выводом от средней точки намотки. Выходное напряжение снимается с движка и средней точки. При переходе движка через среднюю точку выходное напряжение изменяет свой знак: при питании переменным током фаза изменяется на 180°, а постоянным током — полярность изменяется на противоположную. В следящих системах широко используется мостовая схема включения потенциометрических датчиков, показанная на рис. 4.10, б. Потенциометр П1 связан с входной осью следящей системы и является задающим. Потенциометр П2 имеет механическую связь с исполнительным устройством. Выходное напряжение (или ток нагрузки) определяется разницей в положении движков потенциометров П1 и П2, т. е. соответствует сигналу ошибки следящей системы. Знак сигнала ошибки зависит от того, больше или меньше угол поворота исполнительного вала по сравнению с углом поворота входного вала.
Выходное напряжение рассматриваемых реверсивных схем может быть определено на основании теоремы об эквивалентном генераторе. Исследуемую систему представим как цепь, состоящую из четырехполюсника, источника питания с напряжением Uo и сопротивления нагрузки RH. Тогда на основании известного из электротехники метода можно утверждать, что схема ведет себя, как цепь, составленная из нагрузки RH и генератора с внутренним сопротивлением Rвых и электродвижущей силой Е, равной напряжению холостого хода Uх. Сопротивление Rвых равно выходному сопротивлению четырехполюсника, которое вычисляют при закороченном источни ке питания и отключенной нагрузке. Напряжение Ux измеряется на выходе рассматриваемой схемы при отключенном сопротивлении нагрузки Ян. Для четырехполюсников по схемам рис. 4.10 выходное напряжение
