Sensori potenziometrici

Un sensore potenziometro è un resistore variabile a cui viene applicata una tensione di alimentazione, il suo valore di ingresso è lo spostamento lineare o angolare del contatto di raccolta della corrente e il valore di uscita è la tensione assunta da questo contatto, che cambia in grandezza con la sua posizione i cambiamenti.

I sensori potenziometrici sono progettati per convertire gli spostamenti lineari o angolari in un segnale elettrico, nonché per riprodurre le più semplici dipendenze funzionali in dispositivi automatici e automatici di tipo continuo.

Schema di collegamento del sensore potenziometrico

Per resistenza, i sensori potenziometrici sono suddivisi in

• lamelle a resistenza costante;

• bobina di filo con avvolgimento continuo;

• con uno strato resistivo.

I sensori potenziometrici lamellari sono stati utilizzati per condurre misurazioni relativamente grossolane a causa di alcuni difetti di progettazione.

In tali sensori, le resistenze costanti, selezionate nominalmente in modo speciale, sono saldate alle lamelle.

La lamella è una struttura con alternanza di elementi conduttivi e non su cui scorre il contatto del collettore.Quando il collettore di corrente viene spostato da un elemento conduttore all'altro, la resistenza totale dei resistori ad esso collegati cambia di una quantità corrispondente al valore nominale di una resistenza. Il cambiamento di resistenza può verificarsi su un'ampia gamma. L'errore di misurazione è determinato dalla dimensione delle piazzole di contatto.

Sensore a potenziometro lamellare

I sensori potenziometrici a filo sono progettati per misurazioni più accurate. Di norma, i loro progetti sono una cornice in getinax, textolite o ceramica, su cui un filo sottile è avvolto in uno strato, gira a turno, sulla cui superficie pulita scorre un collettore di corrente.

Il diametro del filo determina classe di precisione sensore potenziometro (alto è 0,03-0,1 mm, basso è 0,1-0,4 mm). Materiali in filo: manganina, fechral, ​​leghe a base di metalli nobili. L'anello di scorrimento è realizzato in un materiale più morbido per evitare lo sfregamento del filo.

I vantaggi dei sensori potenziometrici:

• semplicità del design;

• dimensioni e peso ridotti;

• elevato grado di linearità delle caratteristiche statiche;

• stabilità delle caratteristiche;

• possibilità di funzionamento su corrente alternata e corrente continua.

Svantaggi dei sensori potenziometrici:

• la presenza di un contatto strisciante, che può causare danni per ossidazione della traccia di contatto, sfregamento delle spire o flessione del cursore;

• errore di funzionamento dovuto al carico;

• fattore di conversione relativamente piccolo;

• soglia di alta sensibilità;

• la presenza di rumore;

• suscettibilità all'erosione elettrica sotto l'influenza di scariche impulsive.

Caratteristica statica dei sensori potenziometrici

Caratteristica statica di un sensore potenziometrico irreversibile

Consideriamo come esempio un sensore potenziometro con bobina continua. Ai morsetti del potenziometro è applicata una tensione U alternata o continua, il valore di ingresso è lo spostamento X, il valore di uscita è la tensione Uout. Per la modalità inattiva, la caratteristica statica del sensore è lineare perché vale la relazione: Uout = (U / R) r,

dove R è la resistenza della bobina; r è la resistenza di una parte della bobina.

Dato che r / R = x / l, dove l è la lunghezza totale della bobina, otteniamo Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

dove K è il coefficiente di conversione (trasmissione) del sensore.

Ovviamente tale sensore non risponderà ad una variazione di segno del segnale di ingresso (il sensore è irreversibile). Esistono schemi sensibili ai cambiamenti nelle firme. La caratteristica statica di un tale sensore ha la forma mostrata in figura.

Circuito reversibile di un sensore potenziometro

Caratteristica statica di un sensore potenziometrico reversibile

Le caratteristiche ideali risultanti possono differire in modo significativo da quelle reali a causa della presenza di vari tipi di errori:

1. Zona morta.

La tensione di uscita varia discretamente da una svolta all'altra, ad es. questa zona si verifica quando, per un piccolo valore di ingresso, Uout non cambia.

L'entità del salto di tensione è determinata dalla formula: DU = U / W, dove W è il numero di giri.

La soglia di sensibilità è determinata dal diametro del filo della bobina: Dx = l / W.

Sensore potenziometrico per banda morta

2. Irregolarità delle caratteristiche statiche dovute alla variabilità del diametro del filo, della resistenza e del passo di avvolgimento.

3. Un errore dovuto al gioco che si è verificato tra l'asse di rotazione del motore e il manicotto di guida (per ridurlo vengono utilizzate molle a compressione).

4.Errore dovuto all'attrito.

A basse potenze dell'elemento che aziona la spazzola del sensore del potenziometro, può verificarsi una zona di ristagno per attrito.

La pressione della spazzola deve essere regolata con attenzione.

5. Errore dovuto all'influenza del carico.

A seconda della natura del carico, si verifica un errore, sia in modalità statica che dinamica. Con un carico attivo, la caratteristica statica cambia. Il valore della tensione di uscita sarà determinato secondo l'espressione: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Questi. Uout = f (r) dipende da Rn. Con Rn >> R si può dimostrare che Uout = (U / R) r;

quando Rn è approssimativamente uguale a R, la dipendenza è non lineare e l'errore massimo del sensore sarà quando il cursore devia da (2/3))l. Di solito scegli Rн / R = 10 … 100. L'entità dell'errore in x = (2/3) l può essere determinata dall'espressione: E = 4/27η, dove η= Rн / R — fattore di carico.

Sensore potenziometrico sotto carico

a — Circuito equivalente di un sensore potenziometrico con un carico, b — Influenza del carico sulla caratteristica statica del sensore potenziometrico.

Caratteristiche dinamiche dei sensori potenziometrici

Funzione di trasmissione

Per ricavare la funzione di trasferimento è più conveniente prendere come valore di uscita la corrente di carico; può essere determinato usando il teorema del generatore equivalente. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Consideriamo due casi:

1. Il carico è puramente attivo Zn = Rn perché Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

dove K1 è il regime minimo del sensore.

Applicando la trasformata di Laplace si ottiene la funzione di trasferimento W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

In questo modo si è ottenuta una connessione senza inerzia, il che significa che il sensore ha tutte le caratteristiche di frequenza e tempo corrispondenti a questa connessione.

Circuito equivalente

2. Carico induttivo con un componente attivo.

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

Applicando la trasformata di Laplace si ottiene Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Attraverso trasformazioni, si può arrivare a una funzione di trasferimento della forma W (p) = K / (Tp + 1) — una connessione aperiodica del 1° ordine,

dove K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L / (Rvn + Rn);

Rumore interno del sensore del potenziometro

Come mostrato, mentre la spazzola si sposta da una svolta all'altra, la tensione di uscita cambia bruscamente. L'errore creato dallo stepping è sotto forma di una tensione a dente di sega sovrapposta alla tensione di uscita della funzione di trasferimento, cioè è rumore. Se la spazzola vibra, il movimento crea anche rumore (interferenza). Lo spettro di frequenza del rumore vibrazionale è nella gamma di frequenza audio.

Per eliminare le vibrazioni, i pantografi sono costituiti da più fili di diversa lunghezza piegati insieme. Quindi la frequenza naturale di ciascun filo sarà diversa, questo impedisce la comparsa di risonanza tecnica. Il livello di rumore termico è basso, vengono presi in considerazione in sistemi particolarmente sensibili.

Sensori potenziometrici funzionali

Va notato che in automazione le funzioni di trasferimento funzionale sono spesso utilizzate per ottenere dipendenze non lineari e sono costruite in tre modi:

• cambiando il diametro del filo lungo la bobina;

• cambio del passo della bobina;

• l'uso di un telaio con una certa configurazione;

• manovrando le sezioni di potenziometri lineari con resistenze di diverse dimensioni.

Ad esempio, per ottenere una dipendenza quadratica secondo il terzo metodo, è necessario modificare linearmente la larghezza della cornice, come mostrato in figura.

Sensore potenziometro funzionale

Potenziometro multigiro

I sensori potenziometrici convenzionali hanno un campo operativo limitato. Il suo valore è determinato dalle dimensioni geometriche del telaio e dal numero di spire della bobina. Non possono aumentare all'infinito. Pertanto, i sensori potenziometrici multigiro hanno trovato applicazione, dove un elemento resistivo è attorcigliato in una linea a spirale con più giri, il loro asse deve essere ruotato più volte in modo che il motore si sposti da un'estremità all'altra della bobina, ad es. la portata elettrica di tali sensori è un multiplo di 3600.

Il vantaggio principale dei potenziometri multigiro è la loro elevata risoluzione e precisione, ottenuta grazie alla grande lunghezza dell'elemento resistivo con dimensioni complessive ridotte.

Fotopotenziometri

Fotopotenziometro — è un analogo senza contatto di un potenziometro convenzionale con uno strato resistivo, il contatto meccanico in esso è sostituito da uno fotoconduttivo, che, ovviamente, aumenta l'affidabilità e la durata. Il segnale proveniente dal fotopotenziometro è controllato da una sonda luminosa che funge da slider. È formato da uno speciale dispositivo ottico e può essere spostato a seguito di un'azione meccanica esterna lungo lo strato fotoconduttivo. Nel punto in cui il fotostrato è esposto, si verifica un eccesso di fotoconduttività (rispetto all'oscurità) e viene stabilito un contatto elettrico.

I fotopotenziometri sono divisi per scopo in lineari e funzionali.

I fotopotenziometri funzionali consentono di convertire il movimento spaziale della sorgente luminosa in un segnale elettrico con una data forma funzionale dovuta allo strato resistivo profilato (iperbolico, esponenziale, logaritmico).