Potenciometrické senzory

Senzor potenciometru je proměnný odpor, na který je přivedeno napájecí napětí, jeho vstupní hodnota je lineární nebo úhlová výchylka kontaktu sběrače proudu a výstupní hodnota je napětí odebrané tímto kontaktem, které se mění v závislosti na jeho poloze. Změny.

Potenciometrické snímače jsou navrženy tak, aby převáděly lineární nebo úhlové posuvy na elektrický signál a také reprodukovaly nejjednodušší funkční závislosti v automatických a automatických zařízeních spojitého typu.

Schéma zapojení potenciometrického snímače

Podle odporu se potenciometrické snímače dělí na

• lamely s konstantním odporem;

• drátová cívka s průběžným vinutím;

• s odporovou vrstvou.

Lamelární potenciometrické snímače byly použity k provádění relativně hrubých měření kvůli určitým konstrukčním chybám.

U takových snímačů jsou k lamelám připájeny konstantní odpory, zvolené nominálně speciálním způsobem.

Lamela je konstrukce se střídajícími se vodivými a nevodivými prvky, po kterých klouže kontakt kolektoru.Při pohybu sběrače proudu z jednoho vodivého prvku na druhý se změní celkový odpor k němu připojených odporů o hodnotu odpovídající jmenovité hodnotě jednoho odporu. Změna odporu může nastat v širokém rozsahu. Chyba měření je dána velikostí kontaktních ploch.

Snímač lamelového potenciometru

Drátové potenciometrové snímače jsou určeny pro přesnější měření. Jejich provedením jsou zpravidla rámy z getinaxu, textolitu nebo keramiky, na které je v jedné vrstvě navinutý tenký drát, který se zatáčí, po jehož čištěném povrchu klouže sběrač proudu.

Průměr drátu určuje třída přesnosti snímač potenciometru (vysoký je 0,03-0,1 mm, nízký je 0,1-0,4 mm). Materiály drátu: manganin, fechral, ​​slitiny na bázi ušlechtilých kovů. Skluzný kroužek je vyroben z měkčího materiálu, aby se zabránilo tření drátu.

Výhody potenciometrových senzorů:

• jednoduchost designu;

• malá velikost a hmotnost;

• vysoký stupeň linearity statických charakteristik;

• stabilita vlastností;

• možnost provozu na střídavý i stejnosměrný proud.

Nevýhody potenciometrových snímačů:

• přítomnost kluzného kontaktu, který může způsobit poškození v důsledku oxidace kontaktní stopy, tření závitů nebo ohnutí jezdce;

• chyba v provozu v důsledku zatížení;

• relativně malý konverzní faktor;

• vysoký práh citlivosti;

• přítomnost hluku;

• náchylnost k elektrické erozi pod vlivem impulsních výbojů.

Statická charakteristika potenciometrických snímačů

Statická charakteristika nevratného potenciometrického snímače

Uvažujme jako příklad potenciometrový snímač se spojitou cívkou. Na svorky potenciometru je přivedeno střídavé nebo stejnosměrné napětí U. Vstupní hodnota je posunutí X, výstupní hodnota je napětí Uout. V klidovém režimu je statická charakteristika snímače lineární, protože platí vztah: Uout = (U / R) r,

kde R je odpor cívky; r je odpor části cívky.

Vzhledem k tomu, že r / R = x / l, kde l je celková délka cívky, dostaneme Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

kde K je převodní (přenosový) koeficient snímače.

Je zřejmé, že takový snímač nebude reagovat na změnu znaménka vstupního signálu (snímač je nevratný). Existují schémata, která jsou citlivá na změny v podpisech. Statická charakteristika takového snímače má tvar znázorněný na obrázku.

Reverzibilní obvod snímače potenciometru

Statická charakteristika reverzibilního potenciometrického snímače

Výsledné ideální charakteristiky se mohou výrazně lišit od skutečných v důsledku přítomnosti různých typů chyb:

1. Mrtvá zóna.

Výstupní napětí se mění diskrétně od závitu k závitu, tzn. tato zóna nastane, když se pro malou vstupní hodnotu Uout nezmění.

Velikost skoku napětí je určena vzorcem: DU = U / W, kde W je počet závitů.

Práh citlivosti je určen průměrem drátu cívky: Dx = l / W.

Potenciometrické čidlo pro mrtvé pásmo

2. Nepravidelnost statických charakteristik způsobená proměnlivostí průměru drátu, odporu a stoupání vinutí.

3. Chyba způsobená vůlí, která vznikla mezi osou otáčení motoru a vodicí objímkou ​​(k jejímu snížení se používají tlačné pružiny).

4.Chyba v důsledku tření.

Při nízkých výkonech prvku pohánějícího kartáček snímače potenciometru může dojít vlivem tření ke stagnační zóně.

Tlak kartáče musí být pečlivě nastaven.

5. Chyba způsobená vlivem zatížení.

V závislosti na charakteru zátěže dochází k chybě, a to jak ve statickém, tak dynamickém režimu. Při aktivním zatížení se statická charakteristika mění. Hodnota výstupního napětí bude určena podle výrazu: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Tyto. Uout = f (r) závisí na Rn. Pomocí Rn >> R lze ukázat, že Uout = (U / R) r;

když je Rn přibližně rovno R, je závislost nelineární a maximální chyba snímače bude při odchylce jezdce od (2/3))l. Obvykle volte Rн / R = 10 … 100. Velikost chyby při x = (2/3) l lze určit výrazem: E = 4/27η, kde η= Rн / R — faktor zatížení.

Potenciometrické čidlo při zatížení

a — Ekvivalentní obvod potenciometrického snímače se zátěží, b — Vliv zatížení na statickou charakteristiku potenciometrického snímače.

Dynamické charakteristiky potenciometrických snímačů

Přenosová funkce

Pro odvození přenosové funkce je vhodnější brát jako výstupní hodnotu zatěžovací proud; lze ji určit pomocí ekvivalentního generátorového teorému. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Zvažte dva případy:

1. Zátěž je čistě aktivní Zn = Rn, protože Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

kde K1 jsou volnoběžné otáčky snímače.

Aplikací Laplaceovy transformace získáme přenosovou funkci W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

Tímto způsobem jsme získali spojení bez setrvačnosti, což znamená, že snímač má všechny frekvenční a časové charakteristiky odpovídající tomuto zapojení.

Ekvivalentní obvod

2. Indukční zátěž s aktivní složkou.

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

Aplikací Laplaceovy transformace získáme Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Transformacemi lze dospět k přenosové funkci tvaru W (p) = K / (Tp + 1) — aperiodickému spojení 1. řádu,

kde K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L/ (Rvn + Rn);

Vnitřní šum snímače potenciometru

Jak je znázorněno, jak se kartáč pohybuje z otáčky na otáčku, výstupní napětí se náhle změní. Chyba vzniklá krokováním je ve formě pilového napětí superponovaného na výstupní napětí přenosové funkce, tzn. je hluk. Pokud kartáč vibruje, pohyb také vytváří hluk (rušení). Frekvenční spektrum vibračního šumu je v rozsahu zvukových frekvencí.

Pro eliminaci vibrací jsou pantografy vyrobeny z několika drátů různých délek složených dohromady. Potom bude vlastní frekvence každého drátu jiná, což zabrání vzhledu technické rezonance. Úroveň tepelného hluku je nízká, jsou brány v úvahu ve zvláště citlivých systémech.

Funkční potenciometrické snímače

Je třeba poznamenat, že v automatizaci se k získání nelineárních závislostí často používají funkční přenosové funkce, které jsou konstruovány třemi způsoby:

• změna průměru drátu podél cívky;

• změna rozteče cívek;

• použití rámu s určitou konfigurací;

• manévrováním sekcí lineárních potenciometrů s odpory různých velikostí.

Například pro získání kvadratické závislosti podle třetí metody je nutné lineárně měnit šířku rámu, jak je znázorněno na obrázku.

Funkční senzor potenciometru

Víceotáčkový potenciometr

Konvenční potenciometrové snímače mají omezený provozní rozsah. Jeho hodnota je určena geometrickými rozměry rámu a počtem závitů cívky. Nemohou se zvyšovat donekonečna. Uplatnění proto našly víceotáčkové potenciometrové snímače, kde je odporový prvek stočený do spirály s několika otáčkami, jejich osa se musí vícekrát otočit, aby se motor pohyboval od jednoho konce cívky na druhý, tzn. elektrický dosah takových senzorů je násobkem 3600.

Hlavní výhodou víceotáčkových potenciometrů je jejich vysoké rozlišení a přesnost, které je dosaženo díky velké délce odporového prvku při malých celkových rozměrech.

Fotopotenciometry

Fotopotenciometr — je bezkontaktní obdoba běžného potenciometru s odporovou vrstvou, mechanický kontakt je v něm nahrazen fotovodivým, což samozřejmě zvyšuje spolehlivost a životnost. Signál z fotopotenciometru je řízen světelnou sondou, která funguje jako posuvník. Je tvořen speciálním optickým zařízením a může být posunut v důsledku vnějšího mechanického působení podél fotovodivé vrstvy. V místě, kde je fotovrstva exponována, dochází k nadměrné (ve srovnání s tmavou) fotovodivosti a k ​​elektrickému kontaktu.

Fotopotenciometry se dělí podle účelu na lineární a funkční.

Funkční fotopotenciometry umožňují díky profilované odporové vrstvě (hyperbolické, exponenciální, logaritmické) převést prostorový pohyb světelného zdroje na elektrický signál s danou funkční formou.