Потенциометрические датчики

Датчики положения и перемещений часто реализуются на основе линейных или поворотных потенциометров. Принцип действия таких устройств основан на урав­нении (3.54) главы 3. Из этого уравнения следует, что сопротивление проволоч­ного резистора зависит от длины провода. Таким образом, если перемещение объек­та будет связано с изменением положения ползунка потенциометра, получится ус­тройство, контролирующее положение объекта, т.е. детектор перемещений. Потен­циометрические преобразователи относятся к активным устройствам, поскольку для определения величины сопротивления через них должен протекать электри-

|(Г 280 Глава 7. Детекторы положения, перемещений и уровня

ческий ток, т.е. они нуждаются в дополнительном источнике возбуждения (на­пример, в источнике постоянного тока). На рис. 7.1А показана принципиальная схема потенциометрического датчика перемещений. На практике процедуру из­мерения сопротивления заменяют процедурой определения падения напряжения на этом сопротивлении, которое для линейного потенциометра всегда пропорци­онально величине перемещения d:

где D — величина максимально возможного перемещения, а Е— напряжение, при­ложенное к потенциометру (сигнал возбуждения). Здесь предполагается, что ин­терфейсная схема не создает никакой нагрузки. При невыполнении этого усло­вия нарушается линейность зависимости между положением ползунка и выход­ным напряжением. В дополнение к этому, выходной сигнал пропорционален на­пряжению возбуждения, которое, если не является стабилизированным, может быть источником существенных погрешностей. Также следует отметить, что по­скольку сопротивление потенциометра не входит в уравнение (7.1), датчики дан­ного типа являются относительными устройствами (см. главу 4). Это означает, что их стабильность (например, в широком температурном диапазоне) практи­чески не влияет на точность измерений. В маломощных датчиках желательно ис­пользовать высокоимпедансные потенциометры, однако при этом необходимо учитывать влияние подключаемой нагрузки. Поэтому часто на выходе таких схем приходится ставить повторители напряжений. Подвижный контакт потенциомет­ра обычно электрически изолирован от чувствительной оси.

(В)

Рис. 7.1. А — потенциометрический датчик положения, Б — гравитационный датчик уровня жидкости с поплавком, В — линейный потенциометр (напечатано с разрешения Piher Group, Tudela, Spain)

7.1. Потенциометрические датчики

Потенциометрический датчик, показанный на рис. 7.2А, имеет следую­щий недостаток. Подвижный контакт, двигаясь вдоль обмотки, может пере­мыкать то один, то два витка переменного резистора, что приводит к неравно­мерности шагов выходного напряжения или переменной разрешающей спо­собности (рис. 7.2Б). Поэтому при использовании проволочного потенцио­метра из N витков можно говорить только о среднем разрешении п:

Объект затрачивает усилия для перемещения ползунка потенциометра, затра­ченная энергия выделяется в форме тепла. Как правило, проволочные потен­циометры изготавливаются из тонкого провода диаметром порядка 0.01 мм. Хороший потенциометр обеспечивает среднюю разрешающую способность около 0.1% от полной шкалы измерения, в то время как разрешение высоко­качественного пленочного потенциометра ограничивается только неоднород­ностью резистивного материала и шумовым порогом интерфейсной схемы. По­тенциометры с непрерывным разрешением изготавливаются из проводящей пластмассы, углеродных пленок, металлических пленок или смеси металла и керамики, известной под названием кермет. Подвижные контакты прецизи­онных потенциометров изготавливаются из качественных сплавов металлов. Многооборотные угловые потенциометры измеряют перемещения в диапазо­не 10°...3000°. Большинству потенциометров присущи следующие недостатки: 1. Значительная механическая нагрузка (трение).

Необходимость обеспечения механического контакта с объектом.

Низкое быстродействие.

Трение и напряжение возбуждения, приводящие к нагреву потенциометра.

Низкая устойчивость к факторам окружающей среды.

ползунок потенциометра

перемещение

(А)

(Б)

Рис. 7.2. Недостатки проволочных потенциометров: А — ползунок потенциомет­ра может перемыкать одновременно два витка, Б — неравномерность шагов напряжения

282 Глава 7. Детекторы положения, перемещений и уровня

Поиск по сайту: