Потенциометрического датчика положения

Потенциометрический
датчик (рис. 4.1), являющийся датчиком
линейных или угловых перемещений,
представляет собой реостат с подвижным
контактом — щеткой, включенной по схеме

потенциометра.
Перемещение подвижного контакта такого
датчика преобразуется в напряжение,
снимаемое со щетки и одной клеммы обмотки
потенциометра (см. рис. 4.1, а).

Характеристика
потенциометра линейна, если сопротивление
нагрузки значительно больше его
сопротивления.

Динамические
свойства потенциометра также зависят
от его нагрузки; при активной нагрузке
он практически безинерционен, а при
емкостной и индуктивной нагрузках
изменение его выходного сигнала будет
отставать от изменения входного сигнала,
так как динамические процессы в
электрических цепях с реактивным
сопротивлением протекают не мгновенно.

Конструкции
потенциометра разнообразны. Наиболее
распространен потенциометр с каркасом
цилиндрической формы (см. рис. 4.1, б),
которая
обеспечивает небольшие его габариты и
позволяет снизить усилия, необходимые
для перемещения щетки, а следовательно,
уменьшить зону нечувствительности, что
очень важно
при измерении малых перемещений.

Каркасы потенциометров
делают из пластмасс, керамики,
оксидированного алюминия, а обмотки —
из сплавов с высоким удельным
сопротивлением (константана, сплавов
платины, золота). Для
намотки используется проволока малого
диаметра (до сотых долей миллиметра),
так как чем меньше диаметр проволоки,
тем меньше
ступенчатость статической характеристики
(см. рис. 4.1, в).

Щетки потенциометров
изготовляют из сплавов серебра, платины,
иридия, палладия и др.

Применяются и
потенциометры с каркасами другой формы,
например, если надо произвести измерения
большого линейного перемещения с большой
точностью, — прямолинейные, большой
длины.

Достоинства
потенциометрического датчика — простота
конструкции и схемы, малые габаритные
размеры и масса; недостаток — наличие
скользящего контакта, который, во-первых,
снижает надежность, а во-вторых,
ограничивает срок его эксплуатации,
так как со временем происходит истирание
проволоки и характеристика
потенциометра меняется.

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.

Электрическая схема потенциометрического датчика

По способу выполнения сопротивления 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.

Диаметр проволоки определяет класс точности потенциометрического датчика (высокий-0,03-0,1 мм , низкий 0,1-0,4 мм). Материалы провода: манганин, фехраль, сплавы на основе благородных металлов. Токосъемник выполнен из более мягкого материала, чтобы исключить перетирание провода.

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.

где К – коэффициент преобразования (передачи) датчика.

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)

Потенциометрический датчик под нагрузкой

a – Эквивалентная схема , б – Влияние нагрузки на статическую характеристику потенциометрического датчика.

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.

2. Нагрузка индуктивная с наличием активной составляющей.

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

Собственные шумы потенциометрического датчика

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

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

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

− 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.

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

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Назначение. Принцип действия

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.

В зависимости от закона изменения
сопротивления обмотки различают линейные
и функциональные потенциометрические
дат­чики.

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.

аркас
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

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):

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.

ринципиально
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.

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 Uoи сопро­тивления нагрузки RH.
Тогда на основании известного из
электро­техники метода можно утверждать,
что схема ведет себя, как цепь, составленная
из нагрузки RHи генератора с внутренним сопротивле­нием
Rвыхи
электродвижущей силой Е, равной
напряжению холо­стого хода Uх.
Сопротивление Rвых
равно выходному сопротивлению
четырехполюсника, которое вычисляют
при закороченном источник

е
питания и отключенной нагрузке. Напряжение
Uxизмеряется на выходе рассматриваемой
схемы при отключенном сопротивлении
нагрузки Ян. Для
четырехполюсников по схемам рис. 4.10
выходное напряжение

Например, для схемы, изображенной на
рис. 4.10, а, имеем

Ux
= UH
= U0
α /2,

Подставляя выражения (4.4) и (4.5) в формулу
(4.3), получаем

Где β= RH/R.

Аналогичные вычисления позволяют
получить для схемы рис. 4.10, б при
одинаковых потенциометрах П1 и П2
уравнение вы­ходного напряжения

где ∆α = ∆х/l —
относительное рассогласование движков
потенцио­метров П1 и П2; α = х/l
— относительное перемещение движка
зада­ющего потенциометра П1; β = RH/
R — отношение
сопротивления нагрузки RH
к полному сопротивлению потенциометра
R.

На рис 4.11 и 4.12 показаны выходные
характеристики ревер­сивных
потенциометрических датчиков, построенные
соответствен­но по уравнениям (4.6) и
(4.7). Характеристики построены при
раз­личных значениях коэффициента
нагрузки р. Расчетные характери­стики
при холостом ходе (β = ∞) представляют
собой прямые линии, т. е. являются
линейными. С уменьшением сопротивления
нагрузки увеличивается отклонение
характеристики от линейной. Чувствите­льность
датчика со средней точкой (рис. 4.10, а),
как следует из уравнения (4.6) и рис.
4.11, в области малых отклонений, а
практи­чески не зависит от нагрузки
и определяется равенством

Анализ этого уравнения показывает, что
наименьшее значение чувствительности
будет при α = 0,5. Этому случаю и соответствуют
характеристики, показанные на рис. 4.12.

В маломощных следящих системах в качестве
нагрузки мосто­вой схемы может быть
включен якорь исполнительного
электродви­гателя. При рассогласовании
в положениях движков задающего и
исполнительного потенциометров через
якорь электродвигателя пойдет ток,
значение которого будет соответствовать
величине рас­согласования (∆α), а
направление — знаку рассогласования.
Элект­родвигатель перемещает
исполнительную ось следящей системы
до тех пор, пока не будет устранено
рассогласование.

Соседние файлы в папке Реферат по ТП САУ

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. .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

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.
16.5, б).
Ток через
обмотку датчика

а
приложенное напряжение распределяется
(делится) между последовательно
соединенными резисторами:

Рис. 16.5. Схема
включения потенциометрического датчика

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.

В
зависимости от закона изменения
сопротивления обмотки различают
линейные и функциональные потенциометрические
датчики.

Конструктивно
потенциометрический датчик (рис. 16.6,б)
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.

Рис. 16.6.
Конструктивная схема
потенциометрического
датчика

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 просматривании 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
удельного 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 в таких
точных датчиках выбирается
в пределах 0,03—0,01 мм. Характеристики
некоторых
проводниковых
материалов, используемых для
потенциометрических датчиков,
приведены в таблице.

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

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. 16.7 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. 16.8). 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

Рис. 16. 7.
Потенциометрический датчик угловых
перемещений

Рис. 16. 8. Конструкция
реохорда

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. 16.9).

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

По этому уравнению
построим зависимость

Отношение
перемещения движка
х к
длине намотки l
обозначаем через

Рис. 16.10. Статические
характеристики потенциометрического
датчика

т.
е. сопротивление нагрузки

то
выходное напряжение
линейно возрастает при изменении

от
0 до 1;

Графически
эта зависимость изображается прямой
линией. При наличии сопротивления
нагрузки

На
рис. 16.11 построены кривые 1,
2, характеризующие
относите­льную
погрешность датчика при

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. 16.12). Число ступеней пропорционально,
а их

Рис. 16.11. Графики
относительной погрешности
потенциометрического
датчика

Рис. 16.12. Ступенчатость
статической характеристики
потенциометрического
датчика

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 w
общее число
витков потенциометра, то UB
= Uw
и погрешность
ступенчатости ∆
≤ U/(2w).
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 w.
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.
16.13 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

Рис. 16.13.
Потенциометрический датчик с двумя
токосъемными контактами

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. 16.14. В схеме на рис. 16.14, 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. 16.14, 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

Тогда на
основании известного из электротехники
метода можно утверждать, что схема ведет
себя, как цепь, составленная
из нагрузки

и
генератора с внутренним сопротивлением

Рис.
16.14. Реверсивные схемы потенциометрических
датчиков

Рис.
16.15. Статические характеристики
реверсивного датчика со средней точкой

Рис. 16.16. Статические
характеристики реверсивного датчика
в мостовой схеме

питания и отключенной
нагрузке. Напряжение

измеряется
на выходе
рассматриваемой схемы при отключенном
сопротивлении нагрузки

Для
четырехполюсников по схемам рис. 16.14
выходное напряжение

Например, для
схемы, изображенной на рис. 16.14, а,
имеем

Подставляя
выражения (16.24) и (16.25) в формулу (16.23),
получаем

Аналогичные
вычисления позволяют получить для схемы
рис.
16.10, б
при
одинаковых потенциометрах П1 и П2
уравнение выходного
напряжения

к
полному сопротивлению потенциометра

На
рис 16.15 и 16.16 показаны выходные
характеристики реверсивных
потенциометрических датчиков, построенные
соответственно по уравнениям (16.26) и
(16.27). Характеристики построены при
различных
значениях коэффициента нагрузки

Расчетные
характеристики
при холостом ходе

Характеристики,
изображенные на рис. 16.16, соответствуют
мостовой
схеме (см. рис. 16.14, б)
и построены
на основании формулы (16.27)
для случая, когда движок задающего
потенциометра установлен
посередине его намотки и, следовательно,

Анализ
этого уравнения показывает, что наименьшее
значение чувствительности
будет при

Этому
случаю и соответствуют характеристики,
показанные на рис. 16.16.

В
маломощных следящих системах в качестве
нагрузки мостовой
схемы может быть включен якорь
исполнительного электродвигателя. При
рассогласовании в положениях движков
задающего и исполнительного
потенциометров через якорь электродвигателя
пойдет
ток, значение которого будет соответствовать
величине рассогласования
(∆α), а направление — знаку рассогласования.
Электродвигатель перемещает исполнительную
ось следящей системы до тех
пор, пока не будет устранено рассогласование.

Функциональные
потенциометрические датчики. Для
получения выходного сигнала, изменяющегося
по определенному
закону, применяют функциональные
потенциометрические датчики.
В этих датчиках зависимость сопротивления
обмотки от перемещения
движка является нелинейной. Требуемая
нелинейность
обеспечивается различными способами:
изменением профиля каркаса;
изменением материала или размера
провода; изменением шага
намотки или длины витка.

Функциональные
потенциометрические датчики нашли
применение
в автоматических вычислительных
системах. Например, в автоматических
навигационных системах самолетов и
кораблей используются
электромеханические счетно-решающие
устройства, выполняющие
операции умножения скорости на синус
или косинус курсового
угла. С помощью функциональных датчиков
может быть скомпенсирована
исходная нелинейность первичного
чувствительного элемента. Например, в
баке сложного профиля уровень горючего
не связан линейно с объемом. С помощью
функционального датчика
можно обеспечить линейную зависимость
между выходным сигналом
датчика и количеством горючего в баке.

Чаще
всего получение необходимой функциональной
зависимости
обеспечивается подбором определенного
профиля каркаса потенциометра.
Конструкция так называемого «профильного»
потенциометрического
датчика показана на рис. 16.17. Изоляционный
каркас
1 имеет небольшую постоянную толщину
b,
а
высота его h
изменяется
по длине намотки l.
На каркас наматывается проволока 2
с высоким
удельным сопротивлением. При входных
сигналах в виде
угловых перемещений каркас с непрерывной
обмоткой изгибают
в цилиндр. Напряжение питания подается
на концы обмотки. Выходное
напряжение Uвых
=f(х),
функционально зависящее от перемещения
движка х,
снимается
между одним из концов обмотки и движком
(щеткой).

Рис. 16.17. Профильные
функциональные потенциометрические

Вид
функциональной зависимости Uвых
=f(х)
определяется формой
выреза каркаса потенциометра, т. е.
зависимостью его профиля (конкретнее
— высоты h)
от
перемещения движка х.

Индуктивные датчики

Принцип действия
индуктивного датчика состоит в
преобразовании перемещения подвижной
части его магнитопровода в изменение
индуктивности катушек. Применяется
такой датчик главным образом для точных
измерений малых перемещений.

Схемы конструкций
простого и дифференциального индуктивных
датчиков представлены на рис. 4.2, а,
б.

Измеряемое
перемещение предмета 1
вызывает
перемещение подвижной части магнитопровода
2, изменение воздушного зазора δ и в
конечном счете изменение индуктивности
в обмотке 3.
(В
дифференциальном датчике изменяются
индуктивностиI
обеих обмоток 3.)
Обмотки
включены в мостовую схему переменного
тока, поэтому выходной сигнал датчика
— разбаланс моста пропорционален
входному сигналу — перемещению.

Статическая
характеристика датчика представлена
на рис. 4.2, в.

Чувствительность
индуктивных датчиков может достигать
10 В/мм; линейная
область характеристики невелика.
Индуктивным датчиком можно измерять
перемещения порядка 10 -7
м.

Рис. 4.2. Схемы
конструкций простого (а)
и
дифференциального (б)
индуктивных
датчиков и их статическая характеристика
(в): 1
—
перемещающийся предмет; 2
— подвижная
часть магнитопровода; 3
—
обмотки;
4 — неподвижный
магнитопровод

Датчики угловых перемещений, потенциометры

Каталог угловых потенциометров, датчиков угловых перемещений с аналоговыми 4-20 мА / 0-10 В и дискретными выходами для контроля и измерения угла поворота в диапазоне до 360 градусов. Потенциометрический выходной сигнал или линейный аналоговый сигнал, пропорциональный значению угла поворота, позволяет легко интегрировать датчик в системы автоматизации.

Представленные датчики угловых перемещений, в отличие от угловых энкодеров, имеют на выходе линейный аналоговый сигнал. Схема измерения повторяет принципы преобразователей линейных перемещений, с тем отличием, что курсор или позиционер, перемещается по окружности. Типичным примером подобных сенсоров являются индуктивные преобразователи угловых перемещений Turck и Pepperl+Fuchs серии PMI360D-F130. Приборы состоят из измерительной части в виде кольца и курсора-позиционера, выдавая стандартный сигнал 4-20 мА или 0-10 В пропорциональный углу поворота. Подобная компоновка отлично подойдет для задач, где объект перемещается в пределах 360 градусов. Доступны специальные исполнения датчиков для применения на подвижной технике. Дополнительные дискретные выходы PNP позволяют контролировать пороговые значения углов поворота.

Потенциометрические датчики угловых перемещений Novotechnik представлены в корпусах и схеме измерения схожими с энкодерами: имеется стандартный цилиндрический корпус и вал, который соединяется с объектом перемещения. В качестве выходного сигнала используется сопротивление в несколько кОм, величина которого зависит от угла поворота. Простота конструкции, надежность, компактные размеры, относительно невысокая стоимость и легкость интеграции в задачу, позволили получить угловым потенциометрам широкое распространение в промышленности и на подвижной технике. В нашем каталоге имеются потенциометрические датчики угловых перемещений известного немецкого производителя – Novotechnik, который специализируется на разработке сенсоров данного типа.

Потенциометрические датчики линейных перемещений

Каталог потенциометрических датчиков линейных перемещений Novotechnik на диапазон измерения до 3000 мм, обладающих высокой надежностью и точностью. Потенциометры позволяют непрерывно измерять перемещение движущихся частей станков с ЧПУ,  механизмов во многих отраслях промышленности, медицины, строительстве и т.д. Линейные потенциометры Novotechnik представлены в различных компактных корпусах как со штоком, так и с позиционным курсором, что позволяет подобрать датчик и интегрировать его именно в конкретную задачу.

предназначены для преобразования перемещения объекта вдоль одной оси в аналоговый сигнал по сопротивлению. Потенциометрические датчики линейных перемещений получили самое широкое распространение в задачах по автоматизации и робототехнике. Уже более полувека датчики данного типа используются во всех отраслях и, особенно, в массовых производствах, например, в автомобильной промышленности и в производстве изделий из пластмассы. По сравнению с – магнитоиндуктивными или магнитострикционными, линейные потенциометры имеют некоторые недостатки, к примеру, меньшую надежность и долговечность. Это связано с принципом измерения – в конструкции используется механический скользящий контакт. Однако, широкое распространение объясняется такими сильными сторонами как: простота конструкции, невысокая стоимость, нечувствительность к электрическим и магнитным помехам, высокое разрешение. Потенциометрические датчики линейных перемещений в нашем каталоге представлены известным немецким производителем . Имеются исполнения как с подружиненным штоком с возвратной пружиной, так и со свободным ходом штока или же с позиционным ползунком – курсором. Современные линейные потенциометры для измерения перемещений можно подобрать и купить в нашем каталоге, в котором представлены так же модели с высокой степенью пылевлагозащиты для применения в тяжелых условиях эксплуатации на подвижной технике.

Датчики линейных перемещений и расстояний

В этом разделе нашего каталога Вы найдете различные датчики для измерения расстояния. Условно, датчики расстояния по способу измерения можно разделить на две большие группы: контактные и бесконтактные. Контактные преобразователи линейных перемещений требуют связи с объектом измерения позиционера или курсора, бесконтактные -индуктивные, лазерные и ультразвуковые работают с поверхностью объекта измерения без соприкосновения. У каждого способа и принципа есть свои плюсы и минусы, подбирать датчик линейных перемещений следует исходя из условий и требований конкретной задачи. К примеру, на станках, термопластавтоматах и т.п. в подавляющем большинстве случаев подходят для использования преобразователи линейных перемещений с позиционером или с выдвижным штоком, а в системах позиционирования на автоматизированных складах, самоходных тележках, кранах и т.п. прекрасно зарекомендовали себя лазерные промышленные дальномеры, измеряющие расстояние от нескольких метров до нескольких десятков или даже до сотен метров. Если необходимо измерять расстояние до металлических объектов в диапазоне от нескольких до десятков мм, прекрасно подойдут бесконтактные индуктивные датчики расстояния с выходным сигналом 4-20 мА или 0-10 В.  Наиболее популярные выходные сигналы для датчиков линейных перемещений – это как раз аналоговые 4-20 мА или 0-10 и их вариации, а так же цифровые интерфейсы: Profibus, SSI, Start/Stop и т.д. Многие клиенты спрашивают, какой промышленный датчик расстояния выбрать: ультразвуковой или лазерный? При выборе, следует учесть, что ультразвуковые датчики расстояния имеют высокое разрешение, относительно низкую стоимость (по сравнению с лазерными), высокую стойкость к запыленности и влажности, однако, такие минусы как: невысокая скорость измерения и широкий луч (невозможность работы с небольшими объектами и требования по открытому пространству) весьма ограничивают применение датчиков этого типа. Лазерные дальномеры обладают высокой скоростью измерения, узким лучом, широким наборов выходных сигналов и интерфейсов, но чувствительны к запыленности и влажности, а также имеют высокую стоимость. Подобрать по параметрам, ознакомиться с описаниями и купить датчики преобразователи линейных перемещений с выходами 4-20 мА или 0-10 В возможно с помощью нашего каталога, в котором представлены датчики для измерения расстояния Balluff, Banner Engineering, Datalogic (Datasensor), IFM Electronic, Leuze Electronic, Pepperl+Fuchs, Turck.