Датчики положения

16.8. Потенциометрические преобразователи

Резистивные датчики (потенциометры) отличаются тем, что их подвижный скользящий контакт связан с элементом, перемещение ко­торого контролируется. Обычно потенциометры выполняются изоли­рованным проводом из сплавов, обладающих повышенной коррозионной стойкостью и износоустойчивостью (манганин, константан, нихром, хровангал). В особых случаях в сплав входят платина, ири­дий, индий, серебро, золото. Формы каскадов могут быть очень разно­образны: в виде пластины, цилиндра, кольца [27, 54, 60, 65, 71, 75, 175]. Если сечение каркаса, на который намотана спираль резистора, одинаково, то сопротивление датчика изменяется пропорционально перемещению: ходу - при линейном перемещении контакта, углу -при вращающемся скользящем контакте. Потенциометры характери­зуются следующими параметрами: величиной омического сопротив­ления резистивного элемента, линейностью выходной характеристи­ки, стабильностью сопротивления и режима работы, мощностью рас­сеяния, скоростью вращения и сроком службы. Возможные схемы включения датчиков представлены на рис. (16.17) [205].

Наиболее широко применяется потенциометрическая схема рис. (16.17, б). Если входное сопротивление измерительной схемы ве­лико., то выходное напряжение зависит только от значения контроли­руемого параметра (см. кривая 1 рис. 16.18)

(16.16)

При реальных входных сопротивлениях измерительной системы выходная характерис­тика нелинейная (кривая 2) [66]. При отношении входного сопротивления нагрузки к полному со­противлению потенциометра 10-100, нелиней­ность выходной характеристики составляет (3-0,1)% соответственно. На практике пользуются линеаризованной выходной характеристикой по­тенциометра (кривая 3), которая проходит через

точку максимального хода движка потенциометра (точка А). В датчике по схеме рис. (16.17, в) при перемещении скользящего контакта относительно центральной точки меняется полярность выходного сигнала.

Для повышения чувствительности датчиков желательно увели­чение напряжения питания , однако при этом растет мощность, рас­сеиваемая датчиком. Для обеспечения стабильности работы резистивные датчики должны иметь сопротивление, превышающее 1000 Ом. Большинство потенциометров имеют общее сопротивление в преде­лах 500-100000 Ом. Общее сопротивление многооборотных проволоч­ных потенциометров достигает 500-25000 Ком.

Значения номинальных сопротивлений стандартизовано. Согласно ГОСТ 10318-74 установлено шесть рядов Е6, Е12, Е48, Е96, Е192. Цифра при Е указывает число номинальных величин в ряду. Например, в ряду Е6 значения номинальных сопротивлений соответствуют числам 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7 и 6,8, умноженным на , где n - целое число.

Основной недостаток проволочных датчиков - ступенчатость выходной характеристики из-за дискретного изменения сопротивле­ния при перемещении щетки движка от витка к витку. Срок службы потенциометра зависит от скорости вращения оси движка и его кон­тактного давления на обмотку. Потенциометр безотказно работает при скоростях вращения не превышающих 100-150 об/мин. Срок службы потенциометров составляет 1-2 млн. циклов.

Потенциометры, применяемые в системах автоматического регули­рования, могут быть подразделены на следующие классы точности:

0,01-0,02 - высокоточные, имеют погрешность не более 0,02%;

0,05 - повышенной точности, имеют погрешность 0,05%;

0,1 - средней точности, имеют погрешность 0,1%;

0,2 - нормальной точности, имеют погрешность 0,2%.

В последние годы появились пленочные потенциометры, кото­рые выполняются в виде тонкой резистивной металлической или уголь­ной токопроводящей пленки; например, из родия, нанесенной на изо­ляционную подложку (например, стекло). Погрешность пленочных потенциометров не превышает 0,01%. На базе пленочных потенцио­метров создан ряд прецизионных функциональных потенциометров [14, 60]. Разработаны потенциометры с металлокерамическим резистивным элементом и с пленками на основе проводящих пластиков [54].

Потенциометрические датчики применяются в системах переда­чи угла. Диапазон измерения линейных перемещений составляет от нескольких мм до десятков метров, угловых перемещений - от несколь­ких градусов до 360°. При измерении больших перемещений исполь­зуются многооборотные потенциометрические датчики. Разрешающая способность потенциометрических преобразователей составляет величины хода рабочего органа. Например, при величине хода 100 мм точность позиционирования может составить 0,01 мм [37].

Многооборотные потенциометры выполняют на 3, 10, 15, 25 и 40 оборотов, соответственно угол поворота движка составляет от 1080 до 14 400 градусов. Появление многооборотных потенциометров по­зволило значительно повысить точность и надежность работы, но это не значит, что они полностью вытеснят однооборотные потенциомет­ры [60]. Различные малогабаритные однооборотные датчики угла по­ворота типа МУ, ПЛ, ПД, ПП, ДУП описаны в [71]. Ряд сведений о потенциометрических датчиках представлено в табл. 30.10. Широко используются потенциометрические датчики типа СП4-8. Данные о потенциометрах зарубежных фирм представлены в [54, 175]. Измери­тельные системы на базе потенциометрических преобразователей при­ведены в [150, 175, 195].

Потенциометрические датчики рассматриваются как безынерци­онные элементы с коэффициентом передачи К, характеризующим крутизну выходной характеристики.

Однако, потенциометрические преобразователи, несмотря на их простоту и малые габариты, находят все меньшее распространение из-за наличия скользящего контакта, снижающего надежность устройства и ограничивающего срок службы.