Потенціометричний датчик: опис, пристрій і схема

Віктор Кузьмін
1 minute

У техніці широко застосовуються прилади для вимірювання величин переміщень об’єктів з їх перетворенням в електричні сигнали. Потенціометричний датчик у більшості конструкцій являє собою реостат і з’єднаний з об’єктом ковзний контакт, з якого знімається сигнал. Вихідний параметр – це величина електричного опору, що залежить від кутового або лінійного переміщення рухомого елемента.

Принцип дії

Потенціометр перетворює лінійні або кутові переміщення у відповідні величини напруги, струму або опору. За рахунок цього можна працювати з багатьма неелектричними величинами: тиском, рівнем, витратою та ін.

Потенціометричні датчики, принцип дії яких полягає у вимірюванні переміщення або місця розташування положення, з’єднуються своїми рухомими контактами змінного резистора з об’єктами. Це можуть бути клапани, антени, ріжучі інструменти і багато іншого. Після подачі живлення на датчик з нього знімається сигнал положення движка потенціометра, як з дільника напруги.

Базовий метод реєстрації у всіх моделях залишається одним і тим же, але є конструктивні відмінності. Сигнал може зніматися безпосередньо або з допомогою електронної схеми після його обробки і нормалізації. Важливо, щоб він відповідав певним стандартам.

Переваги потенціометричних датчиків

  • Простота конструкції.
  • Невелика вартість.
  • Хороша роздільна здатність.
  • Компактність і мала вага.
  • Стабільність показань.

Конструктивне виконання

У промисловості поширені дротяні потенціометричні датчики переміщення. Вони володіють високою точністю і стабільністю, мають малі величини температурного і перехідного опору і низький рівень шумів. До недоліків відносяться: невелика величина опору, мала роздільна здатність, знос рухомих частин і обмеженість застосування при роботі на змінному струмі.

Пристрої складаються з трьох основних елементів:

  • Каркас. Виготовлений з теплопровідного ізоляційного матеріалу або металу з діелектричним покриттям, не змінює геометричні розміри при нагріванні. Форма може бути у вигляді кільця, зігнутої пластини, стрижня.
  • Ізольована обмотка. Виконується з точною укладанням дроти, від кроку якої залежить роздільна здатність приладу.
  • Рухома щітка. В місцях її зіткнення з обмоткою витки очищені від ізоляції. Рухомий контакт в пристроях може переміщатися поступально або обертально. В останньому випадку пристрої можуть бути одно – або многооборотного виконання.

    • Матеріали

    Каркас виготовляється з діелектричного матеріалу: кераміки, гетинаксу, текстоліту, пластмаси. Застосовується метал з ізоляційним покриттям. Його висока теплопровідність дає можливість добре відводити тепло від проводу датчика.

    Метал обмотки володіє високим питомим електричним опором, стійкістю до корозії, невеликим впливом температури, міцністю на стирання і розрив. Цим вимогам відповідає манганін, константан, никельхромовые сплави. Намотування також може бути ламельної або плівкової.

    Ковзні контакти знижують надійність датчиків і ускладнюють конструкцію. Недоліки дротяних потенціометрів:

    • низька надійність контактів;
    • нестабільність перехідного опору між движком і обмоткою із-за окислення і электроэрозии проводу;
    • брязкіт контактів.

    Великий ресурс мають струмопровідні пластмаси, мають також кращу лінійність характеристики. Датчики на їх основі застосовуються там, де потрібна висока надійність, особливо в авіації.

    Контакт щітки виготовляється з домішкою шляхетних металів, щоб вони були м’якші матеріалу обмотки.

    Схеми

    Датчики потенціометричного типу мають статичну характеристику – залежність напруги на виході Uвих від переміщення контакту X. Зв’язок між цими параметрами в ненавантаженому потенціометра зазвичай лінійна:

    Uвих = kX,

    де L – довжина датчика, k – чутливість (k = Uжив/L).

    В реальності потенціометричний датчик містить навантажувальне опір Rн в наступному ланці системи автоматичного керування, що впливає на величину u вих.

    Низька надійність датчиків, пов’язана з втратою контакту, обривом обмотки або міжвитковою замиканням, призводить до необхідності зміни схеми з’єднань.

    Якщо знак сигналу на виході не змінюється, датчик називається однополярним. Він являє собою простий пристрій типу змінного резистора.

    Схема потенціометричного датчика двотактного типу застосовується для автоматичного регулювання, де на виході змінюється знак сигналу в залежності від того, який він на вході. Від цього залежить напрямок керуючого переміщення робочого органу.

    Напруга може зніматися зі щітки і з середини потенціометра. Застосовуються також інші схеми підключень. При живленні постійним струмом, коли рухомий контакт проходить через його середню крапку, знак на виході змінюється на протилежний. Якщо на обмотку подається напруга змінного струму, змінюється фаза на 1800.

    В автоматиці використовуються нелінійні характеристики датчиків. Для цього змінюється діаметр дроту уздовж намотування, крок обмотки, застосовуються каркаси складної форми, шунтує ділянки потенціометрів опорами.

    Експлуатаційні характеристики

    Характеристика холостого ходу датчика являє собою пряму лінію (R/Rн = 0). Відхилення кривих від неї збільшується зі зменшенням опору навантаження Rн.

    Крім активного опору у датчиків є ще динамічні навантаження:

  • Передатна функція.
  • Індуктивна складова.
  • Власні шуми при переході рухомого контакту від виток до витка і від вібрації щітки.

    • Опір між контактом движка і одним з висновків називається вихідним. Вимірюється його величина, сила струму або напругу.

    Похибки датчиків

    На реальні характеристики датчиків впливають такі похибки:

  • Зона нечутливості. При переході контакту з одного витка проводу на інший відбувається стрибок напруги, величина якого визначається за формулою: DU=u піт./W, де W – число витків.
  • Нерівномірність статичної характеристики, пов’язана з коливаннями діаметра дроти по довжині, його питомим опором і точністю намотування.
  • Наявність люфту між движком контакту і втулкою, що впливає на точність показань.
  • Нерівномірність натиску щітки, що впливає на величину опору контакту. Зазвичай силу притиснення движка до обмотці застосовують досить велику. Однак зробити це не завжди вдається, оскільки зусилля від чутливих елементів (мембран, поплавців, біметалічних пластин) – невелике.
  • Вплив електричного опору навантаження Rн. Її величину вибирають в 10…100 разів більше опору датчика.

    • Призначення

    Потенціометричний датчик положення призначений для наступних цілей:

    • контроль і вимірювання переміщень механізмів, робочих органів машин і інших об’єктів;
    • ланка зворотного зв’язку в робототехніці і в системах автоматики;
    • визначення відстаней до об’єктів;
    • випробування в лабораторіях, контроль роботи механізмів.

    Типи датчиків

    Застосування потенціометричного датчика залежить від типу:

  • T/TS – високоточний прилад (0,075%), що працює в діапазоні осьових переміщень 150 мм. Підходить для окружної швидкості до 10 м/с. Конструкція – забезпечення переміщення стрижня в двох напрямках за принципом дільника напруги.
  • TR/TRS – такий же, як попередній, але з поворотною пружиною. Переміщення досягає 100 мм. Витримує більш високі поперечні навантаження на наконечнику.
  • TE1 – модель, яка містить електронну схему для нормалізації сигналів з аналоговим виходом.
  • TE1 з поворотною пружиною – модифікація для вирішення більш широкого кола завдань. Датчик більш стійкий при підвищених поперечних навантаженнях.
  • TEX – потенціометричний датчик з поворотною головкою і з відстеженням лінійних переміщень об’єктів на відстань до 300 мм. Шарнірне з’єднання полегшує монтаж і забезпечує тривалий термін експлуатації.
  • TEX з приводний штангою з різьбою на кінці. Дає можливість жорстко фіксувати об’єкт.
  • TEX з поворотною пружиною не вимагає жорсткого кріплення об’єкта до штанги.
  • TX2 з поворотною головкою або з кріпильними хомутами. Застосовуються у важких умовах експлуатації. Рівень захисту становить IP 67, точність – 0,05%.

    • Застосування потенціометрів в датчиках тиску

    Параметри роботи різних пристроїв зручно перетворювати в електричні сигнали. Потенціометричний датчик тиску рідини або газу застосовують в системах подачі палива в машинах, газу в магістралях і т. п. Зазвичай це мембранні вимірювальні прилади.

    Під дією перепаду тиску на обох сторонах мембрани відбувається її переміщення. При цьому також повертається повзун. Якщо тиску Р0 і Рі рівні між собою, движок переходить у вихідне ліве положення, при якому встановлюється початковий опір приладу. Коли Рі зменшується, мембрана переміщується вправо, а повзунок встановлює щітку потенціометра в положення, відповідне перепаду тиску.

    Щоб знизити похибка дискретного зміни опору потенціометра, кількість витків на ньому не менше 100. Її можна повністю усунути, якщо переміщати щітку вздовж осі каліброваної дроту реохорда.

    Конструкції датчиків

    Датчик лінійного переміщення потенціометричний складається з діелектричного каркаса різної форми (пластини, циліндра, кільця і ін), на який намотується ізольований провід, що приєднаний до затискачів і закріплений хомутами на кінцях. По обмотці переміщається металева щітка. Для датчиків поворотного типу каркаси робляться кільцевої форми, поздовжнього – прямолінійні. В місцях контакту з движком ізоляція на дроті відсутня.

    На затискачі подається напруга живлення. Вихідний сигнал знімається між одним з кінців проводу і контактом щітки, хоча є інші схеми підключень.

    Кожен лінійний потенціометричний датчик має статичну характеристику у вигляді залежності величини вихідного сигналу від переміщення контакту щітки.

    Висновок

    Потенціометричний датчик повинен бути надійним, зручним і довговічним при його застосуванні у вимірювальній техніці і в системах автоматичного регулювання. Пристрої контролю стану об’єктів розрізняються за принципом дії і за видами сигналів виходу, які повинні відповідати стандартам.