Potentiometrische sensoren

Een potentiometersensor is een variabele weerstand waarop een voedingsspanning wordt toegepast, de ingangswaarde is de lineaire of hoekverplaatsing van het stroomverzamelcontact en de uitgangswaarde is de spanning die door dit contact wordt ingenomen, die in grootte verandert naarmate de positie veranderingen.

Potentiometrische sensoren zijn ontworpen om lineaire of hoekverplaatsingen om te zetten in een elektrisch signaal, en om de eenvoudigste functionele afhankelijkheden in automatische en automatische apparaten van een continu type te reproduceren.

Aansluitschema potentiometrische sensor

Door weerstand zijn potentiometrische sensoren onderverdeeld in

• lamellen met constante weerstand;

• draadspoel met continue wikkeling;

• met een weerstandslaag.

Vanwege bepaalde ontwerpfouten werden lamellaire potentiometrische sensoren gebruikt om relatief grove metingen uit te voeren.

In dergelijke sensoren worden constante weerstanden, nominaal op een speciale manier geselecteerd, aan de lamellen gesoldeerd.

De lamel is een structuur met afwisselend geleidende en niet-geleidende elementen waarop het collectorcontact schuift.Wanneer de stroomcollector van het ene geleidende element naar het andere wordt verplaatst, verandert de totale weerstand van de weerstanden die erop zijn aangesloten met een hoeveelheid die overeenkomt met de nominale waarde van één weerstand. De verandering in weerstand kan over een breed bereik optreden. De meetfout wordt bepaald door de grootte van de contactvlakken.

Lamellaire potentiometer sensor

Draadpotentiometersensoren zijn ontworpen voor nauwkeurigere metingen. In de regel zijn hun ontwerpen een frame gemaakt van getinax, textoliet of keramiek, waarop een dunne draad in één laag is gewikkeld, beurtelings draait, op het gereinigde oppervlak waarvan een stroomafnemer glijdt.

De diameter van de draad bepaalt nauwkeurigheidsklasse potentiometersensor (hoog is 0,03-0,1 mm, laag is 0,1-0,4 mm). Draadmaterialen: manganine, fechral, ​​legeringen op basis van edele metalen. De sleepring is gemaakt van een zachter materiaal om schuren van de draad te voorkomen.

De voordelen van potentiometersensoren:

• eenvoud van ontwerp;

• klein formaat en gewicht;

• hoge mate van lineariteit van statische kenmerken;

• stabiliteit van kenmerken;

• mogelijkheid om op wisselstroom en gelijkstroom te werken.

Nadelen potentiometersensoren:

• de aanwezigheid van een glijdend contact, dat schade kan veroorzaken door oxidatie van het contactspoor, wrijven van bochten of buigen van de schuif;

• storing in werking door belasting;

• relatief kleine conversiefactor;

• hoge gevoeligheidsdrempel;

• de aanwezigheid van lawaai;

• gevoeligheid voor elektrische erosie onder invloed van impulsontladingen.

Statisch kenmerk van potentiometrische sensoren

Statisch kenmerk van een onomkeerbare potentiometrische sensor

Laten we als voorbeeld een potentiometersensor met een continue spoel beschouwen. Op de klemmen van de potentiometer staat een wissel- of gelijkspanning U. De ingangswaarde is de verschuiving X, de uitgangswaarde is de spanning Uout. Voor inactieve modus is de statische karakteristiek van de sensor lineair omdat de relatie waar is: Uout = (U / R) r,

waarbij R de spoelweerstand is; r is de weerstand van een deel van de spoel.

Gegeven dat r / R = x / l, waarbij l de totale lengte van de spoel is, krijgen we Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

waarbij K de conversie (transmissie) coëfficiënt van de sensor is.

Uiteraard zal zo'n sensor niet reageren op een verandering in het teken van het ingangssignaal (de sensor is onomkeerbaar). Er zijn schema's die gevoelig zijn voor wijzigingen in handtekeningen. De statische eigenschap van zo'n sensor heeft de vorm zoals weergegeven in de figuur.

Omkeerbaar circuit van een potentiometersensor

Statische karakteristiek van een omkeerbare potentiometrische sensor

De resulterende ideale kenmerken kunnen aanzienlijk verschillen van de echte vanwege de aanwezigheid van verschillende soorten fouten:

1. Dode zone.

De uitgangsspanning varieert discreet van beurt tot beurt, d.w.z. deze zone treedt op wanneer, voor een kleine invoerwaarde, Uout niet verandert.

De grootte van de spanningssprong wordt bepaald door de formule: DU = U / W, waarbij W het aantal windingen is.

De gevoeligheidsdrempel wordt bepaald door de diameter van de spoeldraad: Dx = l/W.

Potentiometrische sensor voor dode band

2. Onregelmatigheid van statische eigenschappen als gevolg van variabiliteit van draaddiameter, weerstand en wikkelspoed.

3. Een fout door speling die optrad tussen de rotatieas van de motor en de geleidehuls (drukveren worden gebruikt om deze te verminderen).

4.Fout door wrijving.

Bij lage vermogens van het element dat de borstel van de potentiometersensor aandrijft, kan door wrijving een stagnatiezone ontstaan.

De borsteldruk moet zorgvuldig worden afgesteld.

5. Fout door belastingsinvloed.

Afhankelijk van de aard van de belasting treedt er een fout op, zowel in de statische als in de dynamische modus. Bij een actieve belasting verandert de statische karakteristiek. De waarde van de uitgangsspanning wordt bepaald volgens de uitdrukking: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Deze. Uout = f (r) hangt af van Rn. Met Rn >> R kan worden aangetoond dat Uout = (U / R) r;

wanneer Rn ongeveer gelijk is aan R, is de afhankelijkheid niet-lineair en is de maximale fout van de sensor wanneer de schuifregelaar afwijkt van (2/3))l. Kies meestal Rн / R = 10 … 100. De grootte van de fout bij x = (2/3) l kan worden bepaald door de uitdrukking: E ​​= 4/27η, waarbij η= Rн / R — belastingsfactor.

Potentiometrische sensor onder belasting

a — Equivalent circuit van een potentiometrische sensor met een belasting, b — Invloed van de belasting op de statische karakteristiek van de potentiometrische sensor.

Dynamische kenmerken van potentiometrische sensoren

Transmissie functie

Om de overdrachtsfunctie af te leiden, is het handiger om de belastingsstroom als uitvoerwaarde te nemen; het kan worden bepaald met behulp van de equivalente generatorstelling. B = Uuit0 / (Rvn + Zn)

Overweeg twee gevallen:

1. De belasting is puur actief Zn = Rn omdat Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

waarbij K1 het stationair toerental van de sensor is.

Door de Laplace-transformatie toe te passen, verkrijgen we de overdrachtsfunctie W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

Op deze manier hebben we een traagheidsloze verbinding verkregen, wat betekent dat de sensor alle frequentie- en tijdkenmerken heeft die overeenkomen met deze verbinding.

Gelijkaardig circuit

2. Inductieve belasting met een actieve component.

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

Als we de Laplace-transformatie toepassen, verkrijgen we Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Door transformaties kan men komen tot een overdrachtsfunctie van de vorm W (p) = K / (Tp + 1) — een aperiodische verbinding van de 1e orde,

waarbij K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L / (Rvn + Rn);

Interne ruis van de potentiometersensor

Zoals weergegeven, verandert de uitgangsspanning abrupt wanneer de borstel van draai naar draai beweegt. De fout die wordt veroorzaakt door stappen heeft de vorm van een zaagtandspanning die wordt gesuperponeerd op de uitgangsspanning van de overdrachtsfunctie, d.w.z. is lawaai. Als de borstel trilt, veroorzaakt de beweging ook geluid (interferentie). Het frequentiespectrum van trillingsruis ligt in het audiofrequentiebereik.

Om trillingen te elimineren, zijn pantografen gemaakt van verschillende draden van verschillende lengtes die in elkaar zijn gevouwen. Dan zal de natuurlijke frequentie van elke draad anders zijn, dit voorkomt het optreden van technische resonantie. Het niveau van thermische ruis is laag, er wordt rekening mee gehouden in bijzonder gevoelige systemen.

Functionele potentiometrische sensoren

Opgemerkt moet worden dat in de automatisering vaak functionele overdrachtsfuncties worden gebruikt om niet-lineaire afhankelijkheden te verkrijgen.Ze zijn op drie manieren geconstrueerd:

• de diameter van de draad langs de spoel veranderen;

• spoel toonhoogte verandering;

• het gebruik van een frame met een bepaalde configuratie;

• door de secties van lineaire potentiometers met weerstanden van verschillende grootte te manoeuvreren.

Om bijvoorbeeld een kwadratische afhankelijkheid te verkrijgen volgens de derde methode, is het nodig om de breedte van het frame lineair te veranderen, zoals weergegeven in de afbeelding.

Functionele potentiometersensor

Multi-turn potentiometer

Conventionele potentiometersensoren hebben een beperkt werkbereik. De waarde wordt bepaald door de geometrische afmetingen van het frame en het aantal windingen van de spoel. Ze kunnen niet onbeperkt toenemen. Daarom hebben multi-turn potentiometersensoren toepassing gevonden, waarbij een weerstandselement in een spiraallijn met meerdere windingen wordt gedraaid, hun as meerdere keren moet worden gedraaid zodat de motor van het ene uiteinde van de spoel naar het andere beweegt, d.w.z. het elektrische bereik van dergelijke sensoren is een veelvoud van 3600.

Het belangrijkste voordeel van multi-turn potentiometers is hun hoge resolutie en nauwkeurigheid, die wordt bereikt door de grote lengte van het weerstandselement met kleine totale afmetingen.

Fotopotentiometers

Fotopotentiometer — is een contactloze analoog van een conventionele potentiometer met een weerstandslaag, het mechanische contact daarin is vervangen door een fotogeleidend contact, wat natuurlijk de betrouwbaarheid en levensduur verhoogt. Het signaal van de fotopotentiometer wordt aangestuurd door een lichtsonde die als schuifregelaar fungeert. Het wordt gevormd door een speciaal optisch apparaat en kan worden verplaatst als gevolg van externe mechanische actie langs de fotogeleidende laag. Op het punt waar de fotolaag wordt belicht, treedt overmatige (vergeleken met donkere) fotogeleiding op en wordt een elektrisch contact gemaakt.

Fotopotentiometers zijn per doel verdeeld in lineair en functioneel.

Functionele fotopotentiometers maken het mogelijk om de ruimtelijke beweging van de lichtbron om te zetten in een elektrisch signaal met een bepaalde functionele vorm vanwege de geprofileerde weerstandslaag (hyperbolisch, exponentieel, logaritmisch).