Ποτενσιομετρικοί αισθητήρες

Ένας αισθητήρας ποτενσιόμετρου είναι μια μεταβλητή αντίσταση στην οποία εφαρμόζεται μια τάση τροφοδοσίας, η τιμή εισόδου του είναι η γραμμική ή γωνιακή μετατόπιση της επαφής συλλογής ρεύματος και η τιμή εξόδου είναι η τάση που λαμβάνεται από αυτή την επαφή, η οποία αλλάζει σε μέγεθος ως τη θέση της αλλαγές.

Οι ποτενσιομετρικοί αισθητήρες έχουν σχεδιαστεί για να μετατρέπουν γραμμικές ή γωνιακές μετατοπίσεις σε ηλεκτρικό σήμα, καθώς και για να αναπαράγουν τις απλούστερες λειτουργικές εξαρτήσεις σε αυτόματες και αυτόματες συσκευές συνεχούς τύπου.

Διάγραμμα σύνδεσης ποτενσιομετρικού αισθητήρα

Ανάλογα με την αντίσταση, οι ποτενσιομετρικοί αισθητήρες χωρίζονται σε

• ελάσματα με σταθερή αντίσταση.

• συρμάτινο πηνίο με συνεχή περιέλιξη.

• με ωμικό στρώμα.

Οι ελασματοποιημένοι ποτενσιομετρικοί αισθητήρες χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή σχετικά χονδροειδών μετρήσεων λόγω ορισμένων ελαττωμάτων σχεδιασμού.

Σε τέτοιους αισθητήρες, σταθερές αντιστάσεις, επιλεγμένες ονομαστικά με ειδικό τρόπο, συγκολλούνται στα ελάσματα.

Το έλασμα είναι μια δομή με εναλλασσόμενα αγώγιμα και μη αγώγιμα στοιχεία πάνω στα οποία ολισθαίνει η επαφή του συλλέκτη.Όταν ο συλλέκτης ρεύματος μετακινείται από το ένα αγώγιμο στοιχείο στο άλλο, η συνολική αντίσταση των αντιστάσεων που συνδέονται με αυτόν αλλάζει κατά ένα ποσό που αντιστοιχεί στην ονομαστική τιμή μιας αντίστασης. Η αλλαγή στην αντίσταση μπορεί να συμβεί σε ένα ευρύ φάσμα. Το σφάλμα μέτρησης καθορίζεται από το μέγεθος των μαξιλαριών επαφής.

Αισθητήρας ποτενσιόμετρο ελασμάτων

Οι αισθητήρες συρμάτινου ποτενσιόμετρου έχουν σχεδιαστεί για πιο ακριβείς μετρήσεις. Κατά κανόνα, τα σχέδιά τους είναι ένα πλαίσιο από getinax, textolite ή κεραμικά, πάνω στο οποίο τυλίγεται ένα λεπτό σύρμα σε ένα στρώμα, περιστρέφεται σε μια στροφή, στην καθαρισμένη επιφάνεια του οποίου ολισθαίνει ένας συλλέκτης ρεύματος.

Η διάμετρος του σύρματος καθορίζει κατηγορία ακρίβειας Αισθητήρας ποτενσιόμετρου (το υψηλό είναι 0,03-0,1 mm, το χαμηλό είναι 0,1-0,4 mm). Υλικά σύρματος: μαγγανίνη, φεχράλη, κράματα με βάση ευγενή μέταλλα. Ο δακτύλιος ολίσθησης είναι κατασκευασμένος από πιο μαλακό υλικό για να αποτρέπει το σχίσιμο του σύρματος.

Τα πλεονεκτήματα των αισθητήρων ποτενσιόμετρου:

• απλότητα σχεδιασμού?

• μικρό μέγεθος και βάρος?

• υψηλός βαθμός γραμμικότητας στατικών χαρακτηριστικών.

• σταθερότητα χαρακτηριστικών·

• δυνατότητα λειτουργίας σε εναλλασσόμενο και συνεχές ρεύμα.

Μειονεκτήματα αισθητήρων ποτενσιόμετρου:

• η παρουσία ολισθαίνουσας επαφής, η οποία μπορεί να προκαλέσει βλάβη λόγω οξείδωσης του ίχνους επαφής, τρίψιμο των στροφών ή κάμψη του ολισθητήρα.

• σφάλμα στη λειτουργία λόγω φορτίου.

• σχετικά μικρός συντελεστής μετατροπής.

• υψηλό όριο ευαισθησίας.

• η παρουσία θορύβου.

• ευαισθησία στην ηλεκτρική διάβρωση υπό την επίδραση παλμικών εκκενώσεων.

Στατικό χαρακτηριστικό ποτενσιομετρικών αισθητήρων

Στατικό χαρακτηριστικό ενός μη αναστρέψιμου ποτενσιομετρικού αισθητήρα

Ας εξετάσουμε ως παράδειγμα έναν αισθητήρα ποτενσιόμετρου με συνεχές πηνίο. Στους ακροδέκτες του ποτενσιόμετρου εφαρμόζεται μια τάση AC ή DC U. Η τιμή εισόδου είναι η μετατόπιση X, η τιμή εξόδου είναι η τάση Uout. Για την κατάσταση αδράνειας, το στατικό χαρακτηριστικό του αισθητήρα είναι γραμμικό επειδή η σχέση είναι αληθής: Uout = (U / R) r,

όπου R είναι η αντίσταση του πηνίου. r είναι η αντίσταση ενός τμήματος του πηνίου.

Δεδομένου ότι r / R = x / l, όπου l είναι το συνολικό μήκος του πηνίου, παίρνουμε Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

όπου Κ είναι ο συντελεστής μετατροπής (μετάδοσης) του αισθητήρα.

Προφανώς, ένας τέτοιος αισθητήρας δεν θα ανταποκριθεί σε μια αλλαγή στο πρόσημο του σήματος εισόδου (ο αισθητήρας είναι μη αναστρέψιμος). Υπάρχουν συστήματα που είναι ευαίσθητα στις αλλαγές στις υπογραφές. Το στατικό χαρακτηριστικό ενός τέτοιου αισθητήρα έχει τη μορφή που φαίνεται στο σχήμα.

Αναστρέψιμο κύκλωμα αισθητήρα ποτενσιόμετρου

Στατικό χαρακτηριστικό ενός αναστρέψιμου ποτενσιομετρικού αισθητήρα

Τα ιδανικά χαρακτηριστικά που προκύπτουν μπορεί να διαφέρουν σημαντικά από τα πραγματικά λόγω της παρουσίας διαφόρων τύπων σφαλμάτων:

1. Νεκρή ζώνη.

Η τάση εξόδου ποικίλλει διακριτά από στροφή σε στροφή, δηλ. Αυτή η ζώνη εμφανίζεται όταν, για μια μικρή τιμή εισόδου, το Uout δεν αλλάζει.

Το μέγεθος του άλματος τάσης καθορίζεται από τον τύπο: DU = U / W, όπου W είναι ο αριθμός των στροφών.

Το όριο ευαισθησίας καθορίζεται από τη διάμετρο του σύρματος πηνίου: Dx = l / W.

Ποτενσιομετρικός αισθητήρας για νεκρή ζώνη

2. Ανωμαλία στατικών χαρακτηριστικών λόγω μεταβλητότητας διαμέτρου σύρματος, αντίστασης και βήματος περιέλιξης.

3. Σφάλμα από αντίστροφη κίνηση που προέκυψε μεταξύ του άξονα περιστροφής του κινητήρα και του χιτωνίου οδηγού (χρησιμοποιούνται ελατήρια συμπίεσης για τη μείωσή του).

4.Σφάλμα λόγω τριβής.

Σε χαμηλές ισχύς του στοιχείου που οδηγεί τη βούρτσα του αισθητήρα ποτενσιόμετρου, μπορεί να εμφανιστεί ζώνη στασιμότητας λόγω τριβής.

Η πίεση της βούρτσας πρέπει να ρυθμίζεται προσεκτικά.

5. Σφάλμα λόγω επιρροής φορτίου.

Ανάλογα με τη φύση του φορτίου, εμφανίζεται ένα σφάλμα, τόσο σε στατική όσο και σε δυναμική λειτουργία. Με ενεργό φορτίο αλλάζει το στατικό χαρακτηριστικό. Η τιμή της τάσης εξόδου θα προσδιοριστεί σύμφωνα με την έκφραση: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Αυτά τα. Το Uout = f (r) εξαρτάται από το Rn. Με Rn >> R μπορεί να φανεί ότι Uout = (U / R) r;

όταν το Rn είναι περίπου ίσο με το R, η εξάρτηση είναι μη γραμμική και το μέγιστο σφάλμα του αισθητήρα θα είναι όταν ο ολισθητήρας αποκλίνει από το (2/3))l. Συνήθως επιλέγετε Rн / R = 10 … 100. Το μέγεθος του σφάλματος στο x = (2/3) l μπορεί να προσδιοριστεί από την έκφραση: E = 4/27η, όπου η= Rн / R — συντελεστής φορτίου.

Ποτενσιομετρικός αισθητήρας υπό φορτίο

α — Ισοδύναμο κύκλωμα ποτενσιομετρικού αισθητήρα με φορτίο, β — Επίδραση του φορτίου στο στατικό χαρακτηριστικό του ποτενσιομετρικού αισθητήρα.

Δυναμικά χαρακτηριστικά ποτενσιομετρικών αισθητήρων

Λειτουργία μετάδοσης

Για να εξαχθεί η συνάρτηση μεταφοράς, είναι πιο βολικό να λαμβάνεται το ρεύμα φορτίου ως τιμή εξόδου. μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας το θεώρημα της ισοδύναμης γεννήτριας. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Εξετάστε δύο περιπτώσεις:

1. Το φορτίο είναι καθαρά ενεργό Zn = Rn επειδή Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

όπου K1 είναι η ταχύτητα ρελαντί του αισθητήρα.

Εφαρμόζοντας τον μετασχηματισμό Laplace, λαμβάνουμε τη συνάρτηση μεταφοράς W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

Με αυτόν τον τρόπο, αποκτήσαμε μια σύνδεση χωρίς αδράνεια, που σημαίνει ότι ο αισθητήρας έχει όλα τα χαρακτηριστικά συχνότητας και χρόνου που αντιστοιχούν σε αυτή τη σύνδεση.

Ισοδύναμο κύκλωμα

2. Επαγωγικό φορτίο με ενεργό εξάρτημα.

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

Εφαρμόζοντας τον μετασχηματισμό Laplace, λαμβάνουμε Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Μέσω μετασχηματισμών, μπορεί κανείς να φτάσει σε μια συνάρτηση μεταφοράς της μορφής W (p) = K / (Tp + 1) — μια απεριοδική σύνδεση 1ης τάξης,

όπου K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L / (Rvn + Rn);

Εσωτερικός θόρυβος του αισθητήρα ποτενσιόμετρου

Όπως φαίνεται, καθώς η βούρτσα κινείται από στροφή σε στροφή, η τάση εξόδου αλλάζει απότομα. Το σφάλμα που δημιουργείται με το βήμα έχει τη μορφή τάσης πριονωτή που υπερτίθεται στην τάση εξόδου της συνάρτησης μεταφοράς, δηλ. είναι θόρυβος. Εάν η βούρτσα δονείται, η κίνηση δημιουργεί επίσης θόρυβο (παρεμβολές). Το φάσμα συχνοτήτων του δονητικού θορύβου βρίσκεται στο εύρος συχνοτήτων ήχου.

Για την εξάλειψη των κραδασμών, οι παντογράφοι κατασκευάζονται από πολλά σύρματα διαφορετικού μήκους διπλωμένα μεταξύ τους. Τότε η φυσική συχνότητα κάθε καλωδίου θα είναι διαφορετική, αυτό εμποδίζει την εμφάνιση τεχνικού συντονισμού. Το επίπεδο του θερμικού θορύβου είναι χαμηλό, λαμβάνονται υπόψη σε ιδιαίτερα ευαίσθητα συστήματα.

Λειτουργικοί ποτενσιομετρικοί αισθητήρες

Πρέπει να σημειωθεί ότι στον αυτοματισμό χρησιμοποιούνται συχνά συναρτήσεις μεταφοράς συναρτήσεων για τη λήψη μη γραμμικών εξαρτήσεων. Κατασκευάζονται με τρεις τρόπους:

• αλλαγή της διαμέτρου του σύρματος κατά μήκος του πηνίου.

• αλλαγή βήματος πηνίου.

• η χρήση ενός πλαισίου με μια συγκεκριμένη διαμόρφωση.

• με ελιγμούς των τμημάτων των γραμμικών ποτενσιόμετρων με αντιστάσεις διαφορετικών μεγεθών.

Για παράδειγμα, για να αποκτήσετε μια τετραγωνική εξάρτηση σύμφωνα με την τρίτη μέθοδο, είναι απαραίτητο να αλλάξετε το πλάτος του πλαισίου γραμμικά, όπως φαίνεται στο σχήμα.

Λειτουργικός αισθητήρας ποτενσιόμετρου

Ποτενσιόμετρο πολλαπλών στροφών

Οι συμβατικοί αισθητήρες ποτενσιόμετρου έχουν περιορισμένο εύρος λειτουργίας. Η τιμή του καθορίζεται από τις γεωμετρικές διαστάσεις του πλαισίου και τον αριθμό των στροφών του πηνίου. Δεν μπορούν να αυξάνονται επ' αόριστον. Ως εκ τούτου, οι αισθητήρες ποτενσιόμετρο πολλαπλών στροφών έχουν βρει εφαρμογή, όπου ένα ωμικό στοιχείο είναι στριμμένο σε μια σπειροειδή γραμμή με πολλές στροφές, ο άξονάς τους πρέπει να περιστραφεί πολλές φορές έτσι ώστε ο κινητήρας να κινείται από το ένα άκρο του πηνίου στο άλλο, δηλ. το ηλεκτρικό εύρος τέτοιων αισθητήρων είναι πολλαπλάσιο του 3600.

Το κύριο πλεονέκτημα των ποτενσιόμετρων πολλαπλών στροφών είναι η υψηλή ανάλυση και ακρίβειά τους, η οποία επιτυγχάνεται λόγω του μεγάλου μήκους του ωμικού στοιχείου με μικρές συνολικές διαστάσεις.

Φωτοποτενσιόμετρα

Φωτοποτενσιόμετρο — είναι ένα ανάλογο χωρίς επαφή ενός συμβατικού ποτενσιόμετρου με ένα στρώμα αντίστασης, η μηχανική επαφή σε αυτό αντικαθίσταται από ένα φωτοαγώγιμο, το οποίο, φυσικά, αυξάνει την αξιοπιστία και τη διάρκεια ζωής. Το σήμα από το φωτοποτενσιόμετρο ελέγχεται από έναν αισθητήρα φωτός που λειτουργεί ως ολισθητήρας. Σχηματίζεται από μια ειδική οπτική συσκευή και μπορεί να μετατοπιστεί ως αποτέλεσμα εξωτερικής μηχανικής δράσης κατά μήκος του φωτοαγώγιμου στρώματος. Στο σημείο όπου εκτίθεται το φωτοστρώμα, εμφανίζεται υπερβολική (σε σύγκριση με τη σκοτεινή) φωτοαγωγιμότητα και δημιουργείται ηλεκτρική επαφή.

Τα φωτοποτενσιόμετρα χωρίζονται ανά σκοπό σε γραμμικά και λειτουργικά.

Τα λειτουργικά φωτοποτενσιόμετρα επιτρέπουν στη χωρική κίνηση της φωτεινής πηγής να μετατραπεί σε ηλεκτρικό σήμα με δεδομένη λειτουργική μορφή λόγω του προφίλ αντίστασης (υπερβολικό, εκθετικό, λογαριθμικό).