Потенциометрические датчики назначение. Принцип действия

Характеристики линейного потенциометрического датчика

Основной характеристикой потенциометрического датчика является зависимость выходного напряжения U_вых от перемещения х. При равномерной намотке эта зависимость линейная только на холостом ходу, т. е. при отсутствии сопротивления нагрузки, подключенной к выходным зажимам датчика. В реальных условиях к этим зажимам подключаются электрические приборы, входное сопротивление ко­торых является сопротивлением нагрузки для датчика (рис. 4.5).

Под нагрузкой обычно понимается ток нагрузки. Когда говорят, что «нагрузка отсутствует», то подразумевают, что именно ток на­грузки равен нулю. Сопротивление же нагрузки при этом, естест­венно, равно бесконечности. Следовательно, в режиме холостого хода (т. е. при отсутствии нагрузки) сопротивление нагрузки беско­нечно велико.

Для анализа влияния сопротивления нагрузки R_H на основную характеристику датчика, полное сопротивление обмотки которого R, введем понятие коэффициента нагрузки β = R_H /R и α = х/1. Выход­ное напряжение датчика



По этому уравнению построим зависимость U_вых /U = f(α), где U — напряжение питания датчика, для различных значений β (рис. 4.6). С уменьшением сопротивления на­грузки характеристика датчика ста­новится нелинейной и возрастает ошибка преобразования. Относите­льная погрешность для нагруженно­го датчика может быть найдена сопоставлением выражений (4.1) и (4.2):

О тношение перемещения движ­ка х к длине намотки l обозначаем через α= х/l. Если датчик не нагружен, т. е. сопротивление нагрузки R_H =∞ и β = ∞, то выходное напря­жение линейно возрастает при изменении α от 0 до 1; U_вых = αU. Гра­фически эта зависимость изображается прямой линией. При наличии сопротивления нагрузки R_H, соизмеримого с сопротивлением обмот­ки R, эта зависимость отличается от линейной, поскольку часть тока, проходящего через датчик, ответвляется в нагрузку. Ток, поступаю­щий от источника питания,

Или, подставляя R_H= βR, имеем

На рис. 4.7 построены кривые 1, 2, характеризующие относите­льную погрешность датчика при β =1; 0,5 соответственно. При больших β абсолютная величина максимальной погрешности δ_mах = (4/27) β при α= 2/3.

Важной характеристикой качества потенциометрического дат­чика является плавность изменения выходного напряжения. При перемещении движка по обмотке потенциометра происходит скачкообразное изменение сопротивления, поскольку движок как бы перескакивает с одного витка на другой. Это приводит к тому, что зависимость выходного напряжения от перемещения имеет ступен­чатый вид (рис. 4.8). Число ступеней пропорционально, а их высота обратно пропорциональна числу витков обмотки. Реальная выход­ная характеристика имеет отклонения от идеальной (плавной, бес­ступенчатой) как вверх, так и вниз. Следовательно, погрешность, вызванная ступенчатостью, может быть как положительной, так и отрицательной и составляет половину напряжения U_B, приходящего­ся на один виток намотки. Если обозначить через ω общее число витков потенциометра, то U_B = U/ ω и погрешность ступенчатости ∆≤ U/(2 ω). Для количественной оценки погрешности, обусловлен­ной ступенчатостью, вводят понятие электрической разрешающей способности потенциометра δ_р. Разрешающая способность опреде­ляет максимально возможную точность работы потенциометрического датчика. Улучшить ее можно, увеличивая число витков ω. Для этого можно либо удлинить намотанную часть потенциометра l (при заданном диаметре провода), либо уменьшить сечение провода. Уменьшение диаметра провода приводит к технологическим труд­ностям изготовления обмотки, но, самое главное, снижает надеж­ность потенциометра, поскольку ухудшается механическая проч­ность обмотки и она быстрее истирается.

Увеличение длины обмотки, естественно, приводит к увеличе­нию размеров всего потенциометра. Для устранения этого недостат­ка были разработаны многооборотные потенциометры.

Для улучшения разрешающей способности можно также при­менять движки с несколькими токосъемными контактами. На рис. 4.9 показан движок с двумя контактами 1 и 2, которые касают­ся обмотки 3 в двух диаметрально противоположных точках. Нали­чие двух параллельных контактов повышает и надежность потенци­ометра.

П ринципиально отсутствует погрешность, обусловленная сту­пенчатостью у датчиков типа реохорда, где движок скользит вдоль натянутой проволоки. Эти датчики имеют малое сопротивление и выходное напряжение, т. е. низкую чувствительность, поэтому в потенциометрических схемах включения они не нашли практического приме­нения. Чувствительность датчика мо­жет быть определена как первая про­изводная выходного напряжения по перемещению движка. Для ненагруженного потенциометра чувствитель­ность потенциометра пропорциональ­на напряжению питания датчика и обратно пропорциональна длине намотки.