Потенциометрический датчик: описание, устройство и схема

Принцип действия

Потенциометр преобразует линейные или угловые перемещения в соответствующие величины напряжения, тока или сопротивления. За счет этого можно работать со многими неэлектрическими величинами: давлением, уровнем, расходом и др.

Потенциометрические датчики, принцип действия которых заключается в измерении перемещения или места расположения положения, соединяются своими подвижными контактами переменного резистора с объектами. Это могут быть клапаны, антенны, режущие инструменты и многое другое. После подачи питания на датчик с него снимается сигнал положения движка потенциометра, как с делителя напряжения.

Базовый метод регистрации во всех моделях остается одним и тем же, но имеются конструктивные отличия. Сигнал может сниматься напрямую или с помощью электронной схемы после его обработки и нормализации. Важно, чтобы он соответствовал определенным стандартам.

Достоинства потенциометрических датчиков

Конструктивное исполнение

В промышленности распространены проволочные потенциометрические датчики перемещения. Они обладают высокой точностью и стабильностью, имеют малые величины температурного и переходного сопротивлений и низкий уровень шумов. К недостаткам относятся: небольшая величина сопротивления, малая разрешающая способность, износ подвижных частей и ограниченность применения при работе на переменном токе.

Устройства состоят из трех основных элементов:

Материалы

Каркас изготавливается из диэлектрического материала: керамики, гетинакса, текстолита, пластмассы. Применяется металл с изоляционным покрытием. Его высокая теплопроводность дает возможность хорошо отводить тепло от провода датчика.

Металл обмотки обладает высоким удельным электрическим сопротивлением, стойкостью к коррозии, небольшим влиянием температуры, прочностью на истирание и разрыв. Этим требованиям соответствует манганин, константан, никельхромовые сплавы. Намотка также может быть ламельной или пленочной.

Скользящие контакты снижают надежность датчиков и усложняют конструкцию. Недостатки проволочных потенциометров:

Большой ресурс имеют токопроводящие пластмассы, имеющие также лучшую линейность характеристики. Датчики на их основе применяются там, где требуется высокая надежность, особенно – в авиации.

Контакт щетки изготавливается с добавкой благородных металлов, чтобы они были мягче материала обмотки.

Схемы

В реальности потенциометрический датчик содержит нагрузочное сопротивление R_н в следующем звене системы автоматического управления, которое влияет на величину U_вых.

Низкая надежность датчиков, связанная с потерей контакта, обрывом обмотки или межвитковым замыканием, приводит к необходимости изменения схемы соединений.

Если знак сигнала на выходе не меняется, датчик называется однополярным. Он представляет собой простейшее устройство типа переменного резистора.

Схема потенциометрического датчика двухтактного типа применяется для автоматического регулирования, где на выходе изменяется знак сигнала в зависимости от того, какой он на входе. От этого зависит направление управляющего перемещения рабочего органа.

В автоматике используются нелинейные характеристики датчиков. Для этого изменяется диаметр проволоки вдоль намотки, шаг обмотки, применяются каркасы сложной формы, шунтируются участки потенциометров сопротивлениями.

Эксплуатационные характеристики

Характеристика холостого хода датчика представляет собой прямую линию (R/R_н = 0). Отклонение кривых от нее увеличивается с уменьшением сопротивления нагрузки R_н.

Кроме активного сопротивления у датчиков есть еще динамические нагрузки:

Сопротивление между контактом движка и одним из выводов называется выходным. Измеряется его величина, сила тока или напряжение.

Погрешности датчиков

На реальные характеристики датчиков влияют следующие погрешности:

Назначение

Потенциометрический датчик положения предназначен для следующих целей:

Типы датчиков

Применение потенциометрического датчика зависит от типа:

Применение потенциометров в датчиках давления

Параметры работы различных устройств удобно преобразовывать в электрические сигналы. Потенциометрический датчик давления жидкости или газа применяют в системах подачи топлива в машинах, газа в магистралях и т. п. Обычно это мембранные измерительные приборы.

Под действием перепада давления на обеих сторонах мембраны происходит ее перемещение. При этом также поворачивается ползун. Если давления Р₀ и Р_и равны между собой, движок переходит в исходное левое положение, при котором устанавливается начальное сопротивление прибора. Когда Р_и уменьшается, мембрана перемещается вправо, а ползунок устанавливает щетку потенциометра в положение, соответствующее перепаду давления.

Чтобы снизить погрешность дискретного изменения сопротивления потенциометра, количество витков на нем делают не менее 100. Ее можно полностью устранить, если перемещать щетку вдоль оси калиброванной проволоки реохорда.

Конструкции датчиков

Датчик линейного перемещения потенциометрический состоит из диэлектрического каркаса различной формы (пластины, цилиндра, кольца и др.), на который наматывается изолированный провод, присоединенный к зажимам и закрепленный хомутами на концах. По обмотке перемещается металлическая щетка. Для датчиков поворотного типа каркасы делаются кольцевой формы, продольного – прямолинейные. В местах контакта с движком изоляция на проводе отсутствует.

На зажимы подается напряжение питания. Выходной сигнал снимается между одним из концов провода и контактом щетки, хотя есть другие схемы подключений.

Каждый линейный потенциометрический датчик имеет статическую характеристику в виде зависимости величины выходного сигнала от перемещения контакта щетки.

Заключение

Потенциометрический датчик должен быть надежным, удобным и долговечным при его применении в измерительной технике и в системах автоматического регулирования. Устройства контроля положения объектов различаются по принципу действия и по видам сигналов выхода, которые должны соответствовать стандартам.

Источник

4. Потенциометрические датчики

§ 4.1. Назначение. Принцип действия

Потенциометрические датчики предназначены для пре­ образования 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, то потенциометрическая схема включения датчика может быть представлена как последовательное соединение резисторов с сопротивлением (рис.4.1, б). Ток через обмотку датчика, а приложенное напряжение распределяется (делится) между последовательно соеди­ненными резисторами: Если сопротивление обмотки равномерно распределить по длине I, а перемещение
движка обозначить через х, то выходное напряжение датчика

(4.1)

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.

Источник

Потенциометрические датчики

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, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа.

По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на

ламельные с постоянными сопротивлениями;

проволочные с непрерывной намоткой;

с резистивным слоем.

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

В таких датчиках постоянные резисторы, подобранные по номиналу специальным образом, припаиваются к ламелям.

Ламель представляет собой конструкцию с чередующимися проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт. При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок.

Ламельный потенциометрический датчик

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.

Преимущества потенциометрических датчиков:

малые габариты и вес;

высокая степень линейности статических 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 отгибание ползунка;

погрешность в работе за счет нагрузки;

сравнительно небольшой коэффициент преобразования;

высокий порог чувствительности;

подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

Статическая характеристика потенциометрических датчиков

Статическая характеристика нереверсивного потенциометрического датчика

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/R)r,

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

Очевидно, что такой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный). Существуют схемы чувствительные к изменению знаку. Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке.

Реверсивная схема потенциометрического датчика

Статическая характеристика реверсивного потенциометрического датчика

Полученные идеальные характеристики могут существенно отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей:

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

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

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

Зона нечувствительности потенциометрического датчика

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.

Необходимо тщательно регулировать нажим щетки.

5.Погрешность от влияния нагрузки.

В зависимости от характера нагрузки возникает погрешность, как в статическом, так и в динамическом режимах. При активной нагрузке изменяется статическая характеристика. Величина выходного напряжения будет определяться в соответствии с выражением: Uвых=(UrRн)/(RRн+Rr-r2)

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

Потенциометрический датчик под нагрузкой

Динамические характеристики потенциометрических датчиков

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

Рассмотрим два случая:

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 образом, мы получили безынерционное звено, а значит датчик имеет все, соответствующие этому звену частотные и временные характеристики.

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

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

Собственные шумы потенциометрического датчика

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

Функциональные потенциометрические датчики

Необходимо отметить, что в автоматике часто для получения нелинейных зависимостей используются функциональные передаточной функции. Их построение производится тремя способами:

изменением диаметра проволоки вдоль намотки;

изменением шага намотки;

применением каркаса определенной конфигурации;

шунтированием участков линейных потенциометров сопротивлениями различной величины.

Например, чтобы получить квадратичную зависимость по 3-му способу, нужно чтобы ширина каркаса изменялась по линейному закону, как это показано на рисунке.

Функциональный потенциометрический датчик

Обычные потенциометрические датчики имеют ограниченный диапазон работы. Его величина задана геометрическими размерами каркаса и числом витков обмотки. Их увеличивать беспредельно нельзя. Поэтому нашли применение многооборотные потенциометрические датчики, у которых резистивный элемент свит по винтовой линии с несколькими витками, их ось должна повернуться несколько раз, чтобы движок переместился с одного конца обмотки на другой, т.е. электрический диапазон таких датчиков кратен 3600.

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

Фотопотенциометр − представляет собой бесконтактный аналог обычного потенциометра с резистивным слоем, механический контакт в нем заменен фотопроводящим, что, конечно, повышает надежность и срок службы. Сигналом с фотопотенциометра управляет световой зонд, выполняющий роль движка. Он формируется специальным оптическим устройством и может смещаться в результате внешнего механического воздействия вдоль фотопроводящего слоя. В месте засветки фотослоя возникает избыточная по сравнению с темновой фотопроводимость и создается электрический контакт.

Фотопотенциометры делятся по назначению на линейные и функциональные.

Функциональные фотопотенциометры позволяют пространственное перемещение источника света преобразовать в электрический сигнал заданного функционального вида за счет профилированного резистивного слоя (гиперболические, экспоненциальные, логарифмические).

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

Потенциометрические датчики

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.

Достоинства потенциометрических датчиков:

малые габариты и вес;

высочайшая степень линейности статических 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;

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:

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;

Потенциометрический датчик под нагрузкой

Динамические свойства потенциометрических датчиков

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.

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,

Собственные шумы потенциометрического датчика

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

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.

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).

Источник