47

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1. Цель работы

Исследование характеристик потенциометрических преобразователей (датчиков угла поворота вала), в которых потенциометры используются в качестве делителей напряжения.

2. Краткие теоретические сведения

2.1. Общие сведения о потенциометрических преобразователях

П отенциометрическими датчиками угла поворота вала или преобразователями угол-напряжение называют группу устройств, у которых входной сигнал изменяет положение щеток потенциометров. Информационная схема такого преобразователя может быть представлена в виде, показанном на рис. 2.1, где обозначено:

x(t), y(t) – входной и выходной сигналы датчика;

ИП – источник питания;

ЧЭ – чувствительный элемент;

Сх – схема датчика. Рис. 2.1

В зависимости от ИП выходной сигнал у(t) является напряжением постоянного либо переменного тока.

Потенциометры, используемые в датчиках, наиболее часто изготавливаются из металлической проволоки, намотанной на изолирующий каркас. Материалом для каркаса служат либо пластмассы, либо металлы, покрытые слоем токонепроводящего окисла. По форме каркасы имеют вид стержня, кольца, изогнутой дугой пластины и т.п. Каркасы из металла лучше отводят тепло, выделяемое в обмотке, по сравнению с каркасами из пластмассы. Проволока, намотанная на каркас, пропитывается слоем изолирующего лака. Изоляция поверхности обмотки, по которой движется щетка, удаляется путем шлифования.

Проволоку для обмоток изготавливают из благородных металлов или металлов с высоким удельным сопротивлением (константан, манганин или нихром). Неблагородные металлы склонны к окислению. Поэтому для обеспечения надежного контакта используется сила давления щетки на обмотку до нескольких десятков граммов. Сплавы на основе благородных металлов (платина, золото, палладий) обеспечивают надежный контакт при меньшей силе (1 гс и менее). Потенциометры с обмоткой из благородных металлов применяют в тех случаях, когда источник входного сигнала не допускает перегрузок по моменту. Материал щетки должен быть мягче, чем материал провода обмотки, во избежание перетирания витков при длительной работе потенциометра.

Существенным параметром датчика является плотность тока, протекающего по обмотке потенциометра. Допустимая плотность тока определяется как материалом провода, так и условиями охлаждения. При непрерывной работе потенциометра с обмоткой из манганина или константана его перегрев не должен быть выше 40-50^оС. Это обеспечивается при плотности тока не более 10 А/мм² в случае каркаса из пластмассы и 25-30 А/мм² при металлическом каркасе. Обмотки из благородных металлов допускают перегрев до 70-80^оС, что имеет место при плотности тока 40-50 А/мм², если каркас металлический.

Если есть необходимость увеличения плотности тока до 80-100 А/мм² (в 2 раза), то целесообразно поместить потенциометр внутри баллона, заполненного жидкостью, не проводящей электрический ток. Кроме улучшения охлаждения это повышает срок службы потенциометра.

Основными источниками погрешностей потенциометрических преобразователей являются следующие явления, наблюдаемые в потенциометрах:

1) зона нечувствительности;

2. неравномерность характеристики;

3) люфт передачи вал-щетка.

4) трение;

5) влияние нагрузки.

Р ассмотрим связь параметров датчиков со значимостью этих явлений. Для определенности считаем, что преобразователь имеет простейшую схему, показанную на рис. 2.2, где обозначено:

U₁ – напряжение питания;

U₂(t) – выходное напряжение;

(t) – угол поворота щетки;

R₂ – сопротивление нагрузки;

R₁ - сопротивление потенциометра.

Рис. 2.2

2. 2. Зона нечувствительности

Щетка потенциометра соприкасается с локальными частями витков. Модель ненагруженного (R₂= ) потенциометра можно рассматривать в виде, представленном на рис. 2.3, где обозначено:

Рис. 2.3

R_вi – сопротивление i-го витка, ;

h_i – расстояние между контактными площадками (i-1)-го и i-го витков, .

Сначала считаем, что R_вi=R=const, h_i = , где - диаметр провода.

С татическая характеристика U₂=U₂( ) ненагруженного потенциометра в этом случае зависит от ширины щетки. Для обеспечения условия непрерывности протекания тока в нагрузку щетка должна иметь ширину . Щетка, скользя вдоль зачищенных участков витков, постоянно контактирует либо с одним витком, либо с двумя одновременно. При этом общее сопротивление R₁ потенциометра равно nR_в, если щетка касается одного витка, и R₁=(n-1)R_в, если она касается двух витков. Пусть при нулевом положении (U₂=0) центр щетки находится на середине площадки 1-го витка. При смещении щетки на /2 ее правая часть коснется площадки 2-го витка. Изменения U₂ не произойдет, так как левый конец еще контактирует с точкой, потенциал, которой принят за нуль. При увеличении смещения контакт щетки с площадкой 1-го витка разрывается. В момент разрыва напряжение U₂ скачком возрастает на величину U_в=U₁/n. При дальнейшем перемещении на величину, примерно равную 1,5 , правый конец щетки коснется площадки 3-го витка, закоротив второй виток. В момент закорачивания витка напряжение на каждом из остальных витков увеличится до величины U₁/(n-1). Затем разорвется контакт щетки с площадкой 2-го витка и т.д. В результате статическую характеристику рассматриваемого датчика можно представить в виде, показанном на рис. 2.4. Ширина малых скачков зависит от Рис. 2.4

величины перекрытия щеткой контактных площадок соседних витков. Чем она меньше, тем меньше .

При изготовлении потенциометров возникает ряд случайных производственных погрешностей (непостоянство диаметра провода, непостоянство шага намотки и натяжения провода). При этом сопротивления R_вi витков становятся различными.

Это приводит к тому, что скачки характеристики U₂=U₂( ) имеют различные амплитуды и различные длительности. Из рассмотренной характеристики следует, что ширина зоны нечувствительности примерно равна диаметру провода. На каркасе, как правило, стремятся разместить как можно больше витков, используя для обмотки тонкий провод, диаметром от =20 50 мкм. Для уменьшения зоны нечувствительности или уменьшения U_в применяют специальные конструкции потенциометров.

Одна из них называется спиральным потенциометром, у которого обмотка намотана на изолированную проволоку. Проволока с обмоткой укладывается в канавку, прорезанную на поверхности барабана. Задающая ось, вращая барабан, одновременно вращает винт с червячной гайкой, на которой закреплена токосъемная щетка. Перемещение гайки за 1 оборот барабана соответствует шагу укладки проволоки на барабане.

2.3. Неравномерность характеристики

Идеальную характеристику линейного потенциометра берут в виде прямой

,

где K_n – коэффициент передачи потенциометра. Для рассматриваемой схемы

K_n=U₁/_m,

где U₁ – напряжение питания, _m – наибольший угол поворота щетки. Производственные погрешности, отмеченные выше, приводят к тому, что одинаковым по величине приращениям перемещения щетки соответствуют различные приращения сопротивления потенциометра как делителя напряжения. Величина отклонений измеренного фактического сопротивления R_ф от расчетного (теоретического) сопротивления R_p=R₁_m при данном положении щетки показывает качество (класс) потенциометра, оцениваемое степенью неравномерности характеристики. Степень неравномерности определяется в виде [1]

 .

Очевидно, что Наибольшее значение

_m= 

называют степенью неравномерности. Ее величина гарантируется классом потенциометра. У потенциометров среднего класса _m=0,25 0,5%, у прецизионных - _m 0,1%. Прецизионная точность достигается путем настройки изготовленных потенциометров за счет целенаправленных изгибов каркаса с обмоткой.