Потенциометријски сензори

Сензор потенциометра је променљиви отпорник на који се примењује напон напајања, његова улазна вредност је линеарни или угаони померај контакта за прикупљање струје, а излазна вредност је напон који преузима овај контакт, који се мења у величини како његов положај Промене.

Потенциометријски сензори су дизајнирани да претварају линеарне или угаоне помаке у електрични сигнал, као и да репродукују најједноставније функционалне зависности у аутоматским и аутоматским уређајима континуираног типа.

Шема повезивања потенциометријског сензора

Према отпору, потенциометријски сензори се деле на

• ламеле са сталним отпором;

• жичани намотај са континуираним намотајем;

• са отпорним слојем.

Ламеларни потенциометријски сензори су коришћени за спровођење релативно грубих мерења због одређених недостатака у дизајну.

У таквим сензорима, константни отпорници, номинално одабрани на посебан начин, лемљени су на ламеле.

Ламела је структура са наизменичним проводним и непроводним елементима по којима контакт колектора клизи.Када се струјни колектор помери са једног проводног елемента на други, укупан отпор отпорника повезаних са њим мења се за износ који одговара номиналној вредности једног отпора. Промена отпора може се десити у широком опсегу. Грешка мерења је одређена величином контактних плочица.

Сензор ламелног потенциометра

Жичани потенциометарски сензори су дизајнирани за прецизнија мерења. Њихови дизајни су, по правилу, оквир од гетинакса, текстолита или керамике, на који је у једном слоју намотана танка жица, која се окреће, по чијој очишћеној површини клизи струјни колектор.

Пречник жице одређује класа тачности сензор потенциометра (висок је 0,03-0,1 мм, низак је 0,1-0,4 мм). Материјали жице: манганин, фецхрал, легуре на бази племенитих метала. Клизни прстен је направљен од мекшег материјала како би се спречило хабање жице.

Предности потенциометарских сензора:

• једноставност дизајна;

• мала величина и тежина;

• висок степен линеарности статичких карактеристика;

• стабилност карактеристика;

• могућност рада на наизменичну и једносмерну струју.

Недостаци потенциометарских сензора:

• присуство клизног контакта, који може проузроковати оштећење услед оксидације контактног трага, трљања окрета или савијања клизача;

• грешка у раду због оптерећења;

• релативно мали фактор конверзије;

• висок праг осетљивости;

• присуство буке;

• подложност електричној ерозији под утицајем импулсних пражњења.

Статичка карактеристика потенциометријских сензора

Статичка карактеристика иреверзибилног потенциометријског сензора

Размотримо као пример потенциометарски сензор са континуираним намотајем. На клеме потенциометра се примењује наизменични или једносмерни напон У. Улазна вредност је померај Кс, излазна вредност је напон Уоут. За режим мировања, статичка карактеристика сензора је линеарна јер је релација тачна: Уоут = (У / Р) р,

где је Р отпор калема; р је отпор дела завојнице.

С обзиром да је р / Р = к / л, где је л укупна дужина завојнице, добијамо Уоут = (У / л) к = Кк [В / м],

где је К коефицијент конверзије (преноса) сензора.

Очигледно, такав сензор неће реаговати на промену предзнака улазног сигнала (сензор је неповратан). Постоје шеме које су осетљиве на промене у потписима. Статичка карактеристика таквог сензора има облик приказан на слици.

Реверзибилно коло сензора потенциометра

Статичка карактеристика реверзибилног потенциометријског сензора

Добијене идеалне карактеристике могу се значајно разликовати од стварних због присуства различитих врста грешака:

1. Мртва зона.

Излазни напон варира дискретно од окрета до окрета, тј. ова зона се јавља када се, за малу улазну вредност, Уоут не мења.

Величина скока напона одређена је формулом: ДУ = У / В, где је В број окрета.

Праг осетљивости је одређен пречником жице завојнице: Дк = л / В.

Потенциометријски сензор за мртву траку

2. Неправилност статичких карактеристика због варијабилности пречника жице, отпора и корака намотаја.

3. Грешка због зазора који је настао између осе ротације мотора и водеће чауре (за његово смањење се користе компресионе опруге).

4.Грешка због трења.

При малим снагама елемента који покреће четкицу сензора потенциометра може доћи до зоне стагнације услед трења.

Притисак четкице мора бити пажљиво подешен.

5. Грешка због утицаја оптерећења.

У зависности од природе оптерећења, долази до грешке, како у статичком тако иу динамичком режиму. Са активним оптерећењем, статичка карактеристика се мења. Вредност излазног напона ће се одредити према изразу: Уоут = (УрРн) / (РРн + Рр-р2)

Ове. Уоут = ф (р) зависи од Рн. Са Рн >> Р може се показати да је Уоут = (У / Р) р;

када је Рн приближно једнак Р, зависност је нелинеарна и максимална грешка сензора ће бити када клизач одступи од (2/3))л. Обично изаберите Рн / Р = 10 … 100. Величина грешке при к = (2/3) л може се одредити изразом: Е = 4/27η, где је η= Рн / Р — фактор оптерећења.

Потенциометријски сензор под оптерећењем

а — Еквивалентно коло потенциометријског сензора са оптерећењем, б — Утицај оптерећења на статичку карактеристику потенциометријског сензора.

Динамичке карактеристике потенциометријских сензора

Функција преноса

Да би се извела функција преноса, погодније је узети струју оптерећења као излазну вредност; може се одредити коришћењем теореме еквивалентног генератора. Б = Уоут0 / (Рвн + Зн)

Размотрите два случаја:

1. Оптерећење је чисто активно Зн = Рн јер Уоут0 = К1к Ин = К1к / (Рин + Рн)

где је К1 брзина празног хода сензора.

Применом Лапласове трансформације добијамо преносну функцију В (п) = Ин (п) / Кс (п) = К1 / (Рин + Рн) = К

На овај начин смо добили везу без инерције, што значи да сензор има све фреквенцијске и временске карактеристике које одговарају овој вези.

Еквивалентно коло

2. Индуктивно оптерећење са активном компонентом.

У = РвнИн + Л (дИн / дт) + РнИн

Применом Лапласове трансформације добијамо Уоутк (п) = Ин (п) [(Рвн + пЛ) + Рн]

Кроз трансформације се може доћи до преносне функције облика В (п) = К / (Тп + 1) — апериодична веза 1. реда,

где је К = К1 / (Рвн + Рн)

Т = Л / (Рвн + Рн);

Унутрашњи шум сензора потенциометра

Као што је приказано, како се четка помера од окрета до окрета, излазни напон се нагло мења. Грешка настала искорачењем је у виду пиластог напона суперпонираног на излазни напон преносне функције, тј. је бука. Ако четкица вибрира, кретање такође ствара буку (сметње). Фреквенцијски спектар вибрационе буке је у опсегу аудио фреквенција.

Да би се елиминисале вибрације, пантографи су направљени од неколико жица различитих дужина пресавијених заједно. Тада ће природна фреквенција сваке жице бити другачија, што спречава појаву техничке резонанце. Ниво топлотне буке је низак, узимају се у обзир у посебно осетљивим системима.

Функционални потенциометријски сензори

Треба напоменути да се у аутоматизацији функционалне функције преноса често користе за добијање нелинеарних зависности, које се конструишу на три начина:

• промена пречника жице дуж намотаја;

• промена корака намотаја;

• употреба оквира са одређеном конфигурацијом;

• маневрисањем секција линеарних потенциометара са отпорима различитих величина.

На пример, да би се добила квадратна зависност према трећем методу, потребно је линеарно променити ширину оквира, као што је приказано на слици.

Функционални потенциометарски сензор

Потенциометар са више обртаја

Конвенционални потенциометарски сензори имају ограничен радни опсег. Његова вредност је одређена геометријским димензијама оквира и бројем завоја калема. Не могу се повећавати у недоглед. Због тога су нашли примену вишеокретни потенциометарски сензори, где се отпорнички елемент увија у спиралну линију са неколико обртаја, њихова оса мора бити ротирана неколико пута тако да се мотор креће са једног краја калема на други, тј. електрични домет таквих сензора је вишеструки од 3600.

Главна предност вишеокретних потенциометара је њихова висока резолуција и тачност, што се постиже захваљујући великој дужини отпорног елемента са малим укупним димензијама.

Фотопотенциометри

Фотопотенциометар — је бесконтактни аналог конвенционалног потенциометра са отпорним слојем, механички контакт у њему је замењен фотокондуктивним, што, наравно, повећава поузданост и век трајања. Сигнал са фотопотенциометра контролише светлосна сонда која делује као клизач. Формира га посебан оптички уређај и може се померити као резултат спољашњег механичког дејства дуж фотопроводног слоја. На месту где је фотослој изложен, јавља се вишак (у поређењу са тамним) фотопроводљивости и долази до електричног контакта.

Фотопотенциометри се по намени деле на линеарне и функционалне.

Функционални фотопотенциометри омогућавају да се просторно кретање извора светлости конвертује у електрични сигнал са задатим функционалним обликом због профилисаног отпорног слоја (хиперболичког, експоненцијалног, логаритамског).