Потенциометрический датчик что измеряет

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.

Электрическая схема потенциометрического датчика приведена на рис. 25

По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на

— проволочные с непрерывной намоткой;

— с резистивным слоем.

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 отгибания ползунка;

-искажение статической характеристики под влиянием нагрузки;

-сравнительно небольшой коэффициент преобразования;

-наличие зоны нечувствительности у проволочных потенциометрических датчиков.

Статическую характеристику нереверсивного потенциометрического датчика (См. рисунок 26) 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/Rп)r,

где Rп- 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 знака, например, схема на рис. 27. Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке 28

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

1.Зона нечувствительности. Выходное напряжение меняется дискретно от витка к витку, т.е. возникает эта зона, когда при малой величине перемещения Uвых не меняется.

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

Порог чувствительности определяется диаметром намоточного провода

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.

5.Погрешность от влияния нагрузки.

При активной нагрузке (рис. 29) изменяется статическая характеристика (рис.30). Т.е. Uвых=f(r) зависит от Rн. При Rн>>Rп можно показать, что Uвых=(U/Rп)r;

Источник

Современные потенциометрические датчики: как выбрать и эффективно использовать?

Последние достижения в технологии потенциометров позволяют эффективно использовать их во многих современных приложениях. В статье описаны характеристики потенциометров, которые следует учитывать при выборе устройства определения положения для конкретного приложения. Проведено сравнение современных потенциометров с другими технологиями — цифровыми кодерами и LVDT-датчиками.

До последнего времени считалось, что потенциометры могут быть вытеснены с рынка цифровыми устройствами определения положения, такими как кодеры и преобразователи координат (резольверы). Однако успехи в технологии существенно улучшили характеристики потенциометров, что позволило в настоящее время, учитывая к тому же присущие потенциометрам преимущества, с успехом использовать их во многих приложениях, в т.ч. авиакосмических и медицинских системах.
Перед тем как будут рассмотрены преимущества и недостатки потенциометров в сравнении с новыми цифровыми технологиями, важно получить ясное представление о характеристиках, влияющих на параметры системы, которые требуется обеспечить в конкретных приложениях. Обычно рассматривают следующие характеристики потенциометров.
Механические характеристики. Потенциометры могут иметь различные корпусные исполнения и интерфейсы. Следует учитывать размеры корпуса (длину и диаметр), конфигурацию вала, крутящий момент, рабочий ход, радиальный и осевой люфт, требования к монтажу и др.
Конструкция резистивного элемента. Резистивные дорожки могут быть выполнены из слоев различных материалов, исходя из требований к монтажу, условий внешней среды и срока службы изделия. Потенциометры могут быть либо поворотными, либо линейными, установлены в корпусах или интегрированы в сборочный узел, например, в корпус электропривода.
Срок службы. Долговечность потенциометров обычно составляет 5 млн циклов. Срок службы может быть увеличен за счет использования смазочных материалов и различных благородных металлов для изготовления подвижного контакта.
Сопротивление. Сопротивление потенциометра следует выбирать, исходя из требований приложения. Разброс значений сопротивления углеродной пасты, которая наносится на подложку, составляет обычно не более 1%.
Разрешение. Разрешение определяется как минимальное изменение напряжения в ответ на соответствующее перемещение вала потенциометра. Одно из основных преимуществ потенциометров — в их практически неограниченном разрешении. В системах с замкнутой обратной связью это исключает неустойчивое положение системы, что часто приводит к джиттеру, а также обеспечивает более высокий коэффициент усиления в цепях усиления и лучшую частотную характеристику. Потенциометр — устройство, способное измерять абсолютное положение. По этой причине при включении или выключении устройства потенциометр всегда знает, в каком положении он находится, и не требует возврата в нулевое положение, как в случае других инкрементных устройств определения положения.
Линейность. Ключевой характеристикой большинства потенциометров является линейность, которая определяется как пропорциональная разница между реальным выходным напряжением и напряжением, рассчитанным по положению вала (см. рис. 1). Предельный разброс линейности зависит от длины или функционального угла, полного сопротивления и размера дорожек. Чем больше угол и размер дорожки, тем меньше сопротивление и лучше точность. Линейность может быть определена двумя способами: либо как абсолютная линейность, либо как независимая линейность.
Абсолютная линейность учитывает реальный электрический угол потенциометра. Потенциометры имеют определенную степень углового отклонения; допуска могут меняться в диапазоне 0,01—2° в зависимости от размера, угла и материала резистивного элемента.

Независимая линейность не учитывает реальное угловое отклонение потенциометра (нет функционального допуска по углу). Для расчета требуемого наклона характеристики и определения отклонения при данном положении вала для требуемого угла используется таблица.
Функциональная линейность. Линейность может быть определена либо для прямой, либо для различных функций. Наиболее распространенными функциями являются синус/косинус, логарифмическая и др. Вспомогательных схем для создания этих функций в потенциометрах, в отличие от других цифровых или магнитных технологий, не требуется.
Резистивная нагрузка. Эффект резистивной нагрузки меняет теоретический вид выходной функции потенциометра и может возникнуть в трех разных случаях:
– между подвижным контактом и концевым отводом;
– между подвижным контактом и центральным отводом (плавающим);
– между подвижным контактом и центральным отводом (заземленным).
Тип и величина нагрузки определяет ее влияние на выходную функцию.
Плавность изменения сопротивления. Плавность изменения сопротивления (см. рис. 2) представляет собой максимальное мгновенное отклонение выходного напряжения относительно входного напряжения и измеряется при перемещении подвижного контакта и наличии входного тока нагрузки. Этот параметр выражается в процентах от общего приложенного напряжения, когда потенциометр вращается с частотой 4 RPM (об./мин). Факторами, которые оказывают влияние на плавность изменения сопротивления, являются контактное сопротивление и отклонения микролинейности потенциометра.
Шум. Шум вызывается отклонениями на выходе, вызванными переходными сопротивлениями между подвижным контактом и поверхностью резистивного элемента, который отсутствует на входе.
Номинальная мощность. Номинальная мощность представляет собой максимальную мощность, которая рассеивается потенциометром в режиме делителя напряжения, а не реостата. Этот параметр обычно устанавливается для комнатной температуры, поэтому следует учитывать, что максимальная мощность уменьшается для потенциометров, работающих при повышенной температуре.
Факторы внешней среды. При снятии характеристик потенциометра весьма важно учитывать условия, при которых он эксплуатируется, а именно, повышенная и пониженная температура, влажность, вибрация и удары.

В таблице 1 [1] сравниваются технологии управления и определения положения на основе таких характеристик как разрешение, потребляемая мощность, потери мощности и внешние вспомогательные цепи поддержки. Вначале кратко остановимся на особенностях двух альтернативных технологий — кодерах и LVDT-датчиках.

Характеристики

Потенциометры

Кодеры

LVDT-датчики

зависит от конфигурации катушки

возможна подгонка под определенную функцию

можно управлять программно

катушку можно встроить в блок, в зависимости от числа витков

Восстановления после потери питания

простое восстановление положения; при включении уровень напряжения сохраняется

восстановление положения довольно затруднительно путем сохранения предыдущего положения или переиндексации системы

простое восстановление положения; при включении уровень напряжения сохраняется

в зависимости от размеров, вспомогательных схем и стоимости

неограниченное (определяется уровнем помех формирователя сигналов LVDT)

в зависимости от размеров, вспомогательных схем и стоимости

Потребность во вспомогательных цепях

более 5 млн циклов

Более 10 млн циклов

Кодеры преобразуют механическое поворотное движение в последовательность электрических импульсов, которые используются для формирования управляющих сигналов. Имеются абсолютные кодеры и инкрементные кодеры; в обоих типах кодеров вращающийся диск прерывает фотодетектор и формирует выходной сигнал.
В инкрементных кодерах вращающийся диск содержит дорожку с расположенными с равными интервалами прозрачными и непрозрачными сегментами. В инкрементных кодерах квадратурные сигналы на выходе обеспечивают данные о скорости и направлении. В стандартном режиме кодер ведет счет по переднему фронту прямоугольного сигнала. Если использовать как передний, так и задний фронт сигнала, можно удвоить разрешение. Чтобы повысить разрешение, в некоторых кодерах вместо прямоугольного сигнала используются синусоидальные сигналы, в которых возможна интерполяция. Абсолютные кодеры используют сложный метод кодирования диска, который обеспечивает более высокую точность и восстановление положения после потери питания.
Линейно регулируемые дифференциальные трансформаторы (LVDT) преобразуют линейное движение объекта, с которым они механически связаны, в соответствующий электрический сигнал. LVDT состоит из первичной обмотки, которая находится между двумя идентичными вторичными обмотками. Движущаяся часть называется сердечником; он свободно перемещается внутри LVDT и механически связан с движущимся объектом. В рабочем состоянии первичная обмотка возбуждается соответствующей амплитудой сигнала и частотой. Выходной сигнал LVDT представляет собой дифференциальное напряжение между двумя вторичными обмотками, которое меняется в зависимости от исходного положения сердечника внутри катушки LVDT. Затем это выходное напряжение преобразуется в постоянное напряжение высокого уровня или ток, с которым удобнее работать.
Потенциометры более эффективны с точки зрения стоимости, чем альтернативные технологии, особенно если высокое разрешение и линейность являются важными требованиями приложения.
Одной из важнейших характеристик, которые необходимо учитывать при выборе датчика, является то, как система восстанавливается после потери питания. В случае потенциометров система не должна возвращаться в первоначальное состояние: потенциометры обеспечивают выходное напряжение, которое соответствует его текущей позиции. В случае цифровых устройств в системе не предусмотрена возможность определения текущего положения: система должна заново проиндексироваться или вернуться в исходное положение. В большинстве приложений возврат системы в положение, отличное от текущей позиции, связано с увеличением энергопотребления и затратами времени. Кроме того, не всегда можно повторно позиционировать систему без изменения текущих критически важных параметров.
Неограниченное разрешение является еще одним преимуществом потенциометров перед другими цифровыми устройствами. Если в разрабатываемом приложении нельзя использовать ступенчатый выход, то потенциометры являются подходящей технологией. Хотя в современных цифровых устройствах разрешение существенно выросло, это улучшение сопряжено с компромиссами. Как правило, чтобы повысить разрешение, цифровые устройства имеют больший размер, более высокую потребляемую мощность и вспомогательные схемы, но не могут достичь неограниченного разрешения потенциометров.
Потенциометры рассеивают очень мало мощности, занимают мало места и имеют весьма малый вес. В приложениях, где требуется множество таких устройств, это преимущество вырастает многократно.
Потенциометры можно разместить в корпусе, который соответствует всем требованиям конструкции без ущерба таким параметрам как разрешение или линейность. Хотя конструкцию кодеров и LVDT-датчиков можно создать в соответствии с требованиями к системе, это увеличивает их стоимость.
Любые устройства — потенциометры либо другие устройства, предназначенные для эксплуатации в загрязненной среде или при высокой влажности, должны быть герметичными, чтобы микроскопические частицы в них не попали. Попавшая в потенциометр небольшая частица может вызвать провал в активной области характеристики, но в большинстве случаев в системе допускается единичный сбой, и она продолжает эффективно функционировать. Для оптических устройств загрязненность частицами может вызвать ложное считывание при определении положения.
Ухудшение характеристик при крайних значениях температур сказывается на характеристиках потенциометров в большей степени, чем на характеристиках цифровых устройств. Однако в большинстве случаев ухудшение характеристик происходит далеко за пределами температурных требований к системе.
Многие современные системы определения положения требуют избыточности, или резервирования, когда одна секция используется для управления положением, а другая — для обратной связи. По сравнению с кодерами, потенциометры упрощают эту задачу. Сравнение напряжения на выходе потенциометров требует минимальных вспомогательных цепей, а избыточность в потенциометрах реализуется либо с помощью большого числа секций, либо большого числа дорожек одной секции. Это требование особенно важно в тех приложениях, где стоимость, доступное пространство и энергопотребление являются критически важными параметрами.
Хотя бесконтактные цифровые устройства превосходят потенциометры по долговечности, современные потенциометры имеют срок службы, который превышает 5 млн циклов, что намного выше требований большинства приложений.
Последние достижения в производстве потенциометров, в т.ч. полностью автоматическая лазерная подгонка сопротивлений, позволили существенно улучшить их линейность и стабильность в широком диапазоне рабочих температур. Введение новых технологических процессов обеспечит увеличение выхода годных, повысит долговечность и снизит уровень помех этих устройств.

Источник

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