Potenciometrični senzorji

Senzor potenciometra je spremenljivi upor, na katerega je priključena napajalna napetost, njegova vhodna vrednost je linearni ali kotni premik kontakta za zbiranje toka, izhodna vrednost pa je napetost, ki jo sprejme ta kontakt, ki se spreminja glede na njegov položaj spremembe.

Potenciometrični senzorji so zasnovani za pretvorbo linearnih ali kotnih pomikov v električni signal, pa tudi za reprodukcijo najpreprostejših funkcionalnih odvisnosti v avtomatskih in avtomatskih napravah neprekinjenega tipa.

Shema povezave potenciometričnega senzorja

Po odpornosti se potenciometrični senzorji delijo na

• lamele s konstantnim uporom;

• žična tuljava z neprekinjenim navijanjem;

• z uporovno plastjo.

Lamelni potenciometrični senzorji so bili uporabljeni za izvajanje razmeroma grobih meritev zaradi nekaterih konstrukcijskih napak.

V takšnih senzorjih so na lamele spajkani konstantni upori, izbrani nominalno na poseben način.

Lamela je struktura z izmenjujočimi se prevodnimi in neprevodnimi elementi, po katerih drsi kolektorski kontakt.Ko se tokovni zbiralnik premakne iz enega prevodnega elementa v drugega, se skupni upor uporov, ki so nanj priključeni, spremeni za količino, ki ustreza nazivni vrednosti enega upora. Sprememba odpornosti se lahko pojavi v širokem razponu. Merilna napaka je določena z velikostjo kontaktnih ploščic.

Lamelni senzor potenciometra

Žični potenciometrski senzorji so zasnovani za natančnejše meritve. Praviloma so njihove konstrukcije okvir iz getinaxa, tekstolita ali keramike, na katerega je v eni plasti navita tanka žica, ki se zavije v obratu, na očiščeni površini katere drsi tokovni zbiralnik.

Premer žice določa razred točnosti senzor potenciometra (visoko je 0,03-0,1 mm, nizko je 0,1-0,4 mm). Žični materiali: manganin, fehral, ​​zlitine na osnovi plemenitih kovin. Drsni obroč je narejen iz mehkejšega materiala, ki preprečuje drgnjenje žice.

Prednosti potenciometrskih senzorjev:

• enostavnost oblikovanja;

• majhna velikost in teža;

• visoka stopnja linearnosti statičnih karakteristik;

• stabilnost lastnosti;

• možnost delovanja na izmenični in enosmerni tok.

Slabosti potenciometrskih senzorjev:

• prisotnost drsnega kontakta, ki lahko povzroči poškodbe zaradi oksidacije kontaktne sledi, drgnjenja zavojev ali upogibanja drsnika;

• napaka pri delovanju zaradi obremenitve;

• razmeroma majhen pretvorbeni faktor;

• visok prag občutljivosti;

• prisotnost hrupa;

• dovzetnost za električno erozijo pod vplivom impulznih razelektritev.

Statična karakteristika potenciometričnih senzorjev

Statična karakteristika ireverzibilnega potenciometričnega senzorja

Vzemimo za primer senzor potenciometra z zvezno tuljavo. Na sponkah potenciometra je priključena izmenična ali enosmerna napetost U. Vhodna vrednost je premik X, izhodna vrednost je napetost Uout. Za način mirovanja je statična karakteristika senzorja linearna, ker velja razmerje: Uout = (U / R) r,

kjer je R upor tuljave; r je upornost dela tuljave.

Glede na to, da je r / R = x / l, kjer je l skupna dolžina tuljave, dobimo Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

kjer je K pretvorbeni (transmisijski) koeficient senzorja.

Očitno se tak senzor ne bo odzval na spremembo predznaka vhodnega signala (senzor je ireverzibilen). Obstajajo sheme, ki so občutljive na spremembe v podpisih. Statična karakteristika takega senzorja ima obliko, prikazano na sliki.

Reverzibilno vezje senzorja potenciometra

Statična karakteristika reverzibilnega potenciometričnega senzorja

Dobljene idealne lastnosti se lahko bistveno razlikujejo od dejanskih zaradi prisotnosti različnih vrst napak:

1. Mrtva cona.

Izhodna napetost se diskretno spreminja od obrata do obrata, tj. to območje se pojavi, ko se za majhno vhodno vrednost Uout ne spremeni.

Velikost napetostnega skoka je določena s formulo: DU = U / W, kjer je W število obratov.

Prag občutljivosti je določen s premerom žice tuljave: Dx = l / W.

Potenciometrični senzor za mrtvi pas

2. Nepravilnost statičnih karakteristik zaradi variabilnosti premera žice, upora in koraka navitja.

3. Napaka zaradi zračnosti, ki je nastala med osjo vrtenja motorja in vodilnim tulcem (za zmanjšanje se uporabljajo kompresijske vzmeti).

4.Napaka zaradi trenja.

Pri nizkih močeh elementa, ki poganja krtačo senzorja potenciometra, lahko zaradi trenja nastane območje stagnacije.

Pritisk krtač je treba skrbno prilagoditi.

5. Napaka zaradi vpliva obremenitve.

Glede na naravo obremenitve pride do napake, tako v statičnem kot dinamičnem načinu. Pri aktivni obremenitvi se statična karakteristika spremeni. Vrednost izhodne napetosti bo določena v skladu z izrazom: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

te. Uout = f (r) je odvisen od Rn. Z Rn >> R je mogoče pokazati, da je Uout = (U / R) r;

ko je Rn približno enak R, je odvisnost nelinearna in največja napaka senzorja bo takrat, ko drsnik odstopa od (2/3))l. Običajno izberite Rн / R = 10 ... 100. Velikost napake pri x = (2/3) l lahko določite z izrazom: E = 4/27η, kjer je η = Rн / R — faktor obremenitve.

Potenciometrični senzor pod obremenitvijo

a — Ekvivalentno vezje potenciometričnega senzorja z bremenom, b — Vpliv bremena na statično karakteristiko potenciometričnega senzorja.

Dinamične lastnosti potenciometričnih senzorjev

Funkcija prenosa

Za izpeljavo prenosne funkcije je primerneje vzeti tok bremena kot izhodno vrednost; lahko ga določimo z izrekom o ekvivalentnem generatorju. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Razmislite o dveh primerih:

1. Obremenitev je čisto aktivna Zn = Rn, ker je Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

kjer je K1 hitrost prostega teka senzorja.

Z uporabo Laplaceove transformacije dobimo prenosno funkcijo W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

Na ta način smo dobili brezinercijsko povezavo, kar pomeni, da ima senzor vse frekvenčne in časovne karakteristike, ki ustrezajo tej povezavi.

Enakovredno vezje

2. Induktivno breme z aktivno komponento.

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

Z uporabo Laplaceove transformacije dobimo Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

S transformacijami lahko pridemo do prenosne funkcije oblike W (p) = K / (Tp + 1) — aperiodična povezava 1. reda,

kjer je K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L / (Rvn + Rn);

Notranji šum senzorja potenciometra

Kot je prikazano, se izhodna napetost nenadoma spremeni, ko se krtača premika od zavoja do zavoja. Napaka, ustvarjena s koračenjem, je v obliki žagaste napetosti, prekrite z izhodno napetostjo prenosne funkcije, tj. je hrup. Če krtača vibrira, gibanje ustvarja tudi hrup (motnje). Frekvenčni spekter vibracijskega hrupa je v zvočnem frekvenčnem območju.

Za odpravo vibracij so odjemniki toka izdelani iz več žic različnih dolžin, ki so zložene skupaj. Potem bo naravna frekvenca vsake žice drugačna, kar preprečuje pojav tehnične resonance. Raven toplotnega hrupa je nizka, upoštevajo se v posebej občutljivih sistemih.

Funkcionalni potenciometrični senzorji

Opozoriti je treba, da se v avtomatizaciji za pridobivanje nelinearnih odvisnosti pogosto uporabljajo funkcionalne prenosne funkcije, ki so zgrajene na tri načine:

• spreminjanje premera žice vzdolž tuljave;

• sprememba koraka tuljave;

• uporaba okvirja z določeno konfiguracijo;

• z manevriranjem odsekov linearnih potenciometrov z upornostmi različnih velikosti.

Na primer, da bi dobili kvadratno odvisnost po tretji metodi, je treba linearno spremeniti širino okvirja, kot je prikazano na sliki.

Funkcionalni senzor potenciometra

Večobratni potenciometer

Običajni potenciometrski senzorji imajo omejeno območje delovanja. Njegova vrednost je določena z geometrijskimi dimenzijami okvirja in številom obratov tuljave. Ne morejo naraščati v nedogled. Zato so našli uporabo senzorji potenciometra z več obrati, kjer je uporovni element zavit v spiralno linijo z več obrati, njihovo os je treba večkrat zavrteti, tako da se motor premakne z enega konca tuljave na drugega, tj. električni doseg takih senzorjev je večkratnik 3600.

Glavna prednost večobratnih potenciometrov je njihova visoka ločljivost in natančnost, ki je dosežena zaradi velike dolžine uporovnega elementa z majhnimi skupnimi dimenzijami.

Fotopotenciometri

Fotopotenciometer - je brezkontaktni analog običajnega potenciometra z uporovno plastjo, mehanski kontakt v njem je nadomeščen s fotoprevodnim, kar seveda poveča zanesljivost in življenjsko dobo. Signal iz fotopotenciometra krmili svetlobna sonda, ki deluje kot drsnik. Oblikuje ga posebna optična naprava in se lahko premakne zaradi zunanjega mehanskega delovanja vzdolž fotoprevodne plasti. Na mestu, kjer je fotoplast izpostavljena, se pojavi presežna (v primerjavi s temno) fotoprevodnost in nastane električni kontakt.

Fotopotenciometre po namenu delimo na linearne in funkcionalne.

Funkcionalni fotopotenciometri omogočajo, da se prostorsko gibanje svetlobnega vira zaradi profilirane uporovne plasti (hiperbolično, eksponentno, logaritemsko) pretvori v električni signal z dano funkcionalno obliko.