Potenciometrijski senzori

Senzor potenciometra je promjenjivi otpornik na koji se dovodi napon napajanja, njegova ulazna vrijednost je linearni ili kutni pomak kontakta koji skuplja struju, a izlazna vrijednost je napon koji uzima ovaj kontakt, čija se veličina mijenja ovisno o njegovom položaju promjene.

Potenciometrijski senzori dizajnirani su za pretvaranje linearnih ili kutnih pomaka u električni signal, kao i za reprodukciju najjednostavnijih funkcionalnih ovisnosti u automatskim i automatskim uređajima kontinuiranog tipa.

Dijagram spajanja potenciometrijskog senzora

Potenciometrijski senzori se prema otporu dijele na

• lamele s konstantnim otporom;

• svitak žice s kontinuiranim namotom;

• s otpornim slojem.

Lamelarni potenciometrijski senzori korišteni su za provođenje relativno grubih mjerenja zbog određenih nedostataka u dizajnu.

U takvim senzorima, konstantni otpornici, nominalno odabrani na poseban način, lemljeni su na lamele.

Lamela je konstrukcija s izmjeničnim vodljivim i nevodljivim elementima po kojima klizi kolektorski kontakt.Kada se kolektor struje premjesti s jednog vodljivog elementa na drugi, ukupni otpor otpornika spojenih na njega mijenja se za iznos koji odgovara nazivnoj vrijednosti jednog otpora. Promjena otpora može se dogoditi u širokom rasponu. Pogreška mjerenja određena je veličinom kontaktnih pločica.

Lamelarni potenciometarski senzor

Žičani potenciometarski senzori dizajnirani su za preciznija mjerenja. U pravilu, njihove konstrukcije su okvir izrađen od getinaxa, tekstolita ili keramike, na koji je tanka žica namotana u jednom sloju, okreće se u krugu, na čiju očišćenu površinu klizi kolektor struje.

Promjer žice određuje klasa točnosti senzor potenciometra (visoki je 0,03-0,1 mm, niski je 0,1-0,4 mm). Žičani materijali: manganin, fehral, ​​legure na bazi plemenitih metala. Klizni prsten izrađen je od mekšeg materijala kako bi se spriječilo habanje žice.

Prednosti potenciometarskih senzora:

• jednostavnost dizajna;

• mala veličina i težina;

• visok stupanj linearnosti statičkih karakteristika;

• stabilnost karakteristika;

• mogućnost rada na izmjeničnu i istosmjernu struju.

Nedostaci potenciometarskih senzora:

• prisutnost kliznog kontakta, koji može uzrokovati oštećenje zbog oksidacije kontaktnog traga, trljanja zavoja ili savijanja klizača;

• pogreška u radu zbog opterećenja;

• relativno mali faktor pretvorbe;

• visoki prag osjetljivosti;

• prisutnost buke;

• osjetljivost na električnu eroziju pod utjecajem impulsnih pražnjenja.

Statička karakteristika potenciometrijskih senzora

Statička karakteristika ireverzibilnog potenciometrijskog senzora

Uzmimo kao primjer senzor potenciometra s kontinuiranim svitkom. Na stezaljke potenciometra dovodi se izmjenični ili istosmjerni napon U. Ulazna vrijednost je pomak X, izlazna vrijednost je napon Uout. Za način mirovanja, statička karakteristika senzora je linearna jer je relacija istinita: Uout = (U / R) r,

gdje je R otpor zavojnice; r je otpor dijela zavojnice.

S obzirom da je r / R = x / l, gdje je l ukupna duljina zavojnice, dobivamo Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

gdje je K koeficijent pretvorbe (transmisije) senzora.

Očito je da takav senzor neće reagirati na promjenu predznaka ulaznog signala (senzor je ireverzibilan). Postoje sheme koje su osjetljive na promjene u potpisima. Statička karakteristika takvog senzora ima oblik prikazan na slici.

Reverzibilni krug senzora potenciometra

Statička karakteristika reverzibilnog potenciometrijskog senzora

Rezultirajuće idealne karakteristike mogu se značajno razlikovati od stvarnih zbog prisutnosti različitih vrsta pogrešaka:

1. Mrtva zona.

Izlazni napon diskretno varira od zavoja do zavoja, tj. ova zona se javlja kada se, za malu ulaznu vrijednost, Uout ne mijenja.

Veličina skoka napona određena je formulom: DU = U / W, gdje je W broj zavoja.

Prag osjetljivosti određen je promjerom žice zavojnice: Dx = l / W.

Potenciometrijski senzor za mrtvi pojas

2. Nepravilnost statičkih karakteristika zbog varijabilnosti promjera žice, otpora i koraka namota.

3. Pogreška zbog zazora koji se pojavio između osi rotacije motora i vodeće čahure (kompresijske opruge se koriste za smanjenje).

4.Pogreška zbog trenja.

Pri malim snagama elementa koji pokreće četkicu senzora potenciometra može doći do zone stagnacije zbog trenja.

Pritisak četke mora biti pažljivo podešen.

5. Pogreška zbog utjecaja opterećenja.

Ovisno o prirodi opterećenja, dolazi do pogreške, kako u statičkom tako iu dinamičkom načinu rada. S aktivnim opterećenjem mijenja se statička karakteristika. Vrijednost izlaznog napona odredit će se prema izrazu: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

ove. Uout = f (r) ovisi o Rn. S Rn >> R može se pokazati da je Uout = (U / R) r;

kada je Rn približno jednak R, ovisnost je nelinearna i najveća pogreška senzora bit će kada klizač odstupi od (2/3))l. Obično se bira Rn / R = 10 … 100. Veličina pogreške pri x = (2/3) l može se odrediti izrazom: E = 4/27η, gdje je η= Rn / R — faktor opterećenja.

Potenciometrijski senzor pod opterećenjem

a — Nadomjesna shema potenciometrijskog senzora s opterećenjem, b — Utjecaj opterećenja na statičku karakteristiku potenciometrijskog senzora.

Dinamičke karakteristike potenciometrijskih senzora

Prijenosna funkcija

Za izvođenje prijenosne funkcije prikladnije je uzeti struju opterećenja kao izlaznu vrijednost; može se odrediti pomoću teorema o ekvivalentnom generatoru. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Razmotrimo dva slučaja:

1. Opterećenje je čisto aktivno Zn = Rn jer je Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

gdje je K1 brzina praznog hoda senzora.

Primjenom Laplaceove transformacije dobivamo prijenosnu funkciju W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

Na taj način smo dobili bezinercijski spoj, što znači da senzor ima sve frekvencijske i vremenske karakteristike koje odgovaraju ovom spoju.

Ekvivalentni sklop

2. Induktivno opterećenje s aktivnom komponentom.

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

Primjenom Laplaceove transformacije dobivamo Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Transformacijama se može doći do prijenosne funkcije oblika W (p) = K / (Tp + 1) — aperiodična veza 1. reda,

gdje je K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L / (Rvn + Rn);

Unutarnji šum senzora potenciometra

Kao što je prikazano, kako se četkica pomiče od zavoja do zavoja, izlazni napon se naglo mijenja. Pogreška nastala koračnim korakom je u obliku pilastog napona superponiranog na izlazni napon prijenosne funkcije, tj. je buka. Ako četka vibrira, kretanje također stvara buku (smetnje). Frekvencijski spektar vibracijske buke je u audio frekvencijskom području.

Kako bi se uklonile vibracije, pantografi su izrađeni od nekoliko žica različitih duljina presavijenih zajedno. Tada će prirodna frekvencija svake žice biti drugačija, što sprječava pojavu tehničke rezonancije. Razina toplinske buke je niska, uzimaju se u obzir u posebno osjetljivim sustavima.

Funkcionalni potenciometrijski senzori

Treba napomenuti da se u automatizaciji funkcionalne prijenosne funkcije često koriste za dobivanje nelinearnih ovisnosti. One se konstruiraju na tri načina:

• mijenjanje promjera žice duž zavojnice;

• promjena koraka zavojnice;

• korištenje okvira s određenom konfiguracijom;

• manevriranjem dionica linearnih potenciometara s otporima različitih veličina.

Na primjer, da bi se dobila kvadratna ovisnost prema trećoj metodi, potrebno je linearno promijeniti širinu okvira, kao što je prikazano na slici.

Funkcionalni senzor potenciometra

Potenciometar s više okretaja

Konvencionalni potenciometarski senzori imaju ograničen radni raspon. Njegova vrijednost određena je geometrijskim dimenzijama okvira i brojem zavoja zavojnice. Ne mogu se neograničeno povećavati. Stoga su našli primjenu potenciometarski senzori s više zavoja, gdje je otporni element upleten u spiralnu liniju s nekoliko zavoja, njihova os mora se rotirati nekoliko puta tako da se motor kreće s jednog kraja zavojnice na drugi, tj. električni domet takvih senzora je višekratnik 3600.

Glavna prednost višeokretnih potenciometara je njihova visoka rezolucija i točnost, što se postiže velikom duljinom otpornog elementa s malim ukupnim dimenzijama.

Fotopotenciometri

Fotopotenciometar je beskontaktni analog konvencionalnog potenciometra s otpornim slojem, mehanički kontakt u njemu zamijenjen je fotovodljivim, što, naravno, povećava pouzdanost i vijek trajanja. Signal iz fotopotenciometra kontrolira svjetlosna sonda koja djeluje kao klizač. Formira se posebnim optičkim uređajem i može se pomaknuti kao rezultat vanjskog mehaničkog djelovanja duž fotovodljivog sloja. Na mjestu gdje je fotosloj eksponiran, dolazi do prekomjerne (u usporedbi s tamnom) fotovodljivosti i uspostavljanja električnog kontakta.

Fotopotenciometri se prema namjeni dijele na linearne i funkcionalne.

Funkcionalni fotopotenciometri omogućuju da se prostorno kretanje izvora svjetlosti pretvori u električni signal zadanog funkcionalnog oblika zahvaljujući profiliranom otpornom sloju (hiperboličkom, eksponencijalnom, logaritamskom).