Potensiometriske sensorer

En potensiometersensor er en variabel motstand som en forsyningsspenning påføres, dens inngangsverdi er den lineære eller vinkelforskyvningen av den strømsamlende kontakten, og utgangsverdien er spenningen tatt av denne kontakten, som endres i størrelse ettersom dens posisjon Endringer.

Potensiometriske sensorer er designet for å konvertere lineære eller vinkelforskyvninger til et elektrisk signal, samt å reprodusere de enkleste funksjonelle avhengighetene i automatiske og automatiske enheter av en kontinuerlig type.

Potensiometrisk sensorkoblingsskjema

Ved motstand er potensiometriske sensorer delt inn i

• lameller med konstant motstand;

• trådspole med kontinuerlig vikling;

• med et resistivt lag.

Lamellære potensiometriske sensorer ble brukt til å utføre relativt grove målinger på grunn av visse designfeil.

I slike sensorer er konstante motstander, valgt nominelt på en spesiell måte, loddet til lamellene.

Lamellen er en struktur med vekslende ledende og ikke-ledende elementer som kollektorkontakten glir på.Når strømkollektoren flyttes fra et ledende element til et annet, endres den totale motstanden til motstandene koblet til den med en mengde som tilsvarer den nominelle verdien av en motstand. Endringen i motstand kan skje over et bredt område. Målefeilen bestemmes av størrelsen på kontaktputene.

Lamellpotensiometersensor

Ledningspotensiometersensorer er designet for mer nøyaktige målinger. Som regel er designene deres en ramme laget av getinax, tekstolitt eller keramikk, som en tynn ledning er viklet på i ett lag, svinger i en sving, på den rensede overflaten som en strømsamler glir.

Diameteren på ledningen bestemmer nøyaktighetsklasse potensiometersensor (høy er 0,03-0,1 mm, lav er 0,1-0,4 mm). Trådmaterialer: manganin, fechral, ​​legeringer basert på edle metaller. Sliperingen er laget av et mykere materiale for å hindre at ledningen gnager.

Fordelene med potensiometersensorer:

• enkelhet i design;

• liten størrelse og vekt;

• høy grad av linearitet av statiske egenskaper;

• stabilitet av egenskaper;

• mulighet for drift på vekselstrøm og likestrøm.

Ulemper med potensiometersensorer:

• tilstedeværelsen av en glidende kontakt, som kan forårsake skade på grunn av oksidasjon av kontaktsporet, gnidning av svinger eller bøying av glideren;

• feil i drift på grunn av belastning;

• relativt liten konverteringsfaktor;

• høy følsomhetsterskel;

• tilstedeværelsen av støy;

• mottakelighet for elektrisk erosjon under påvirkning av impulsutladninger.

Statisk karakteristikk av potensiometriske sensorer

Statisk karakteristikk av en irreversibel potensiometrisk sensor

La oss vurdere som et eksempel en potensiometersensor med en kontinuerlig spole. En AC- eller DC-spenning U påføres potensiometerklemmene. Inngangsverdien er forskyvningen X, utgangsverdien er spenningen Uout. For hvilemodus er den statiske karakteristikken til sensoren lineær fordi forholdet er sant: Uout = (U / R) r,

hvor R er spolemotstanden; r er motstanden til en del av spolen.

Gitt at r / R = x / l, der l er den totale lengden av spolen, får vi Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

hvor K er konverteringskoeffisienten (overførings-) til sensoren.

Åpenbart vil en slik sensor ikke reagere på en endring i fortegnet til inngangssignalet (sensoren er irreversibel). Det finnes ordninger som er følsomme for endringer i signaturer. Den statiske karakteristikken til en slik sensor har formen vist på figuren.

Reversibel krets av en potensiometersensor

Statisk karakteristikk for en reversibel potensiometrisk sensor

De resulterende ideelle egenskapene kan avvike betydelig fra de virkelige på grunn av tilstedeværelsen av forskjellige typer feil:

1. Død sone.

Utgangsspenningen varierer diskret fra sving til sving, dvs. denne sonen oppstår når, for en liten inngangsverdi, Uout ikke endres.

Størrelsen på spenningshoppet bestemmes av formelen: DU = U / W, hvor W er antall omdreininger.

Følsomhetsterskelen bestemmes av diameteren til spoleledningen: Dx = l / W.

Potensiometrisk sensor for dødbånd

2. Uregelmessighet i statiske egenskaper på grunn av variasjon av tråddiameter, motstand og viklingsstigning.

3. En feil fra tilbakeslag som oppsto mellom rotasjonsaksen til motoren og styrehylsen (trykkfjærer brukes til å redusere den).

4.Feil på grunn av friksjon.

Ved lav effekt av elementet som driver børsten til potensiometersensoren, kan det oppstå en stagnasjonssone på grunn av friksjon.

Børstetrykket må justeres nøye.

5. Feil på grunn av lastpåvirkning.

Avhengig av belastningens art oppstår det en feil, både i statisk og dynamisk modus. Med en aktiv last endres den statiske karakteristikken. Utgangsspenningsverdien vil bli bestemt i henhold til uttrykket: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Disse. Uout = f (r) avhenger av Rn. Med Rn >> R kan det vises at Uout = (U / R) r;

når Rn er tilnærmet lik R, er avhengigheten ikke-lineær og maksimal feil for sensoren vil være når glideren avviker fra (2/3))l. Velg vanligvis Rн / R = 10 … 100. Størrelsen på feilen ved x = (2/3) l kan bestemmes av uttrykket: E = 4/27η, hvor η= Rн / R — lastfaktor.

Potensiometrisk sensor under belastning

a — Ekvivalent krets for en potensiometrisk sensor med en belastning, b — Påvirkning av belastningen på den statiske karakteristikken til den potensiometriske sensoren.

Dynamiske egenskaper til potensiometriske sensorer

Overføringsfunksjon

For å utlede overføringsfunksjonen er det mer praktisk å ta laststrømmen som utgangsverdi; den kan bestemmes ved hjelp av ekvivalentgeneratorteoremet. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Tenk på to tilfeller:

1. Lasten er rent aktiv Zn = Rn fordi Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

hvor K1 er tomgangshastigheten til sensoren.

Ved å bruke Laplace-transformasjonen får vi overføringsfunksjonen W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

På denne måten fikk vi en treghetsfri kobling, som betyr at sensoren har alle frekvens- og tidskarakteristikkene som tilsvarer denne koblingen.

Ekvivalent krets

2. Induktiv last med en aktiv komponent.

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

Ved å bruke Laplace-transformasjonen får vi Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Gjennom transformasjoner kan man komme frem til en overføringsfunksjon av formen W (p) = K / (Tp + 1) — en aperiodisk forbindelse av 1. orden,

hvor K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L/(Rvn + Rn);

Intern støy fra potensiometersensoren

Som vist, når børsten beveger seg fra sving til sving, endres utgangsspenningen brått. Feilen som skapes ved å tråkke er i form av en sagtannspenning overlagret utgangsspenningen til overføringsfunksjonen, dvs. er støy. Hvis børsten vibrerer, skaper bevegelsen også støy (interferens). Frekvensspekteret til vibrasjonsstøy er i lydfrekvensområdet.

For å eliminere vibrasjoner er strømavtakere laget av flere ledninger av forskjellige lengder brettet sammen. Da vil den naturlige frekvensen til hver ledning være forskjellig, dette forhindrer utseendet av teknisk resonans. Nivået på termisk støy er lavt, de tas i betraktning i spesielt følsomme systemer.

Funksjonelle potensiometriske sensorer

Det bør bemerkes at i automatisering brukes funksjonelle overføringsfunksjoner ofte for å oppnå ikke-lineære avhengigheter. De er konstruert på tre måter:

• endre diameteren på ledningen langs spolen;

• endring av spolestigning;

• bruken av en ramme med en viss konfigurasjon;

• ved å manøvrere seksjonene til lineære potensiometre med motstander av forskjellige størrelser.

For eksempel, for å oppnå en kvadratisk avhengighet i henhold til den tredje metoden, er det nødvendig å endre bredden på rammen lineært, som vist i figuren.

Funksjonell potensiometersensor

Multi-turn potensiometer

Konvensjonelle potensiometersensorer har et begrenset driftsområde. Verdien bestemmes av de geometriske dimensjonene til rammen og antall spoleomdreininger. De kan ikke øke i det uendelige. Derfor har multi-turn potensiometersensorer funnet anvendelse, hvor et resistivt element er vridd i en spirallinje med flere omdreininger, deres akse må roteres flere ganger slik at motoren beveger seg fra den ene enden av spolen til den andre, dvs. den elektriske rekkevidden til slike sensorer er et multiplum på 3600.

Den største fordelen med multi-turn potensiometre er deres høye oppløsning og nøyaktighet, som oppnås på grunn av den store lengden på det resistive elementet med små totale dimensjoner.

Fotopotensiometer

Fotopotensiometer — er en ikke-kontakt analog av et konvensjonelt potensiometer med et resistivt lag, den mekaniske kontakten i det er erstattet av en fotoledende, noe som selvfølgelig øker påliteligheten og levetiden. Signalet fra fotopotensiometeret styres av en lyssonde som fungerer som en glider. Den er dannet av en spesiell optisk enhet og kan forskyves som et resultat av ekstern mekanisk handling langs det fotoledende laget. På det punktet hvor fotolaget blir eksponert, oppstår overskudd (sammenlignet med mørkt) fotoledningsevne og en elektrisk kontakt dannes.

Fotopotensiometre er delt inn etter formål i lineære og funksjonelle.

Funksjonelle fotopotensiometre gjør at den romlige bevegelsen til lyskilden kan konverteres til et elektrisk signal med en gitt funksjonell form på grunn av det profilerte resistive laget (hyperbolsk, eksponentiell, logaritmisk).