7.1. Потенциометрические датчики
Датчики положения и перемещений часто реализуются на основе линейных или поворотных потенциометров. Принцип действия таких устройств основан на уравнении (3.54) главы 3. Из этого уравнения следует, что сопротивление проволочного резистора зависит от длины провода. Таким образом, если перемещение объекта будет связано с изменением положения ползунка потенциометра, получится устройство, контролирующее положение объекта, т.е. детектор перемещений. Потенциометрические преобразователи относятся к активным устройствам, поскольку для определения величины сопротивления через них должен протекать электрический ток, т.е. они нуждаются в дополнительном источнике возбуждения (например, в источнике постоянного тока). На рис. 7.1А показана принципиальная схема потенциометрического датчика перемещений.
На практике процедуру измерения сопротивления заменяют процедурой определения падения напряжения на этом сопротивлении, которое для линейного потенциометра всегда пропорционально величине перемещения d:
где D — величина максимально возможного перемещения, а Е— напряжение, приложенное к потенциометру (сигнал возбуждения). Здесь предполагается, что интерфейсная схема не создает никакой нагрузки. При невыполнении этого условия нарушается линейность зависимости между положением ползунка и выходным напряжением. В дополнение к этому, выходной сигнал пропорционален напряжению возбуждения, которое, если не является стабилизированным, может быть источником существенных погрешностей. Также следует отметить, что поскольку сопротивление потенциометра не входит в уравнение (7.1), датчики данного типа являются относительными устройствами (см. главу 4). Это означает, что их стабильность (например, в широком температурном диапазоне) практически не влияет на точность измерений. В маломощных датчиках желательно использовать высокоимпедансные потенциометры, однако при этом необходимо учитывать влияние подключаемой нагрузки. Поэтому часто на выходе таких схем приходится ставить повторители напряжений. Подвижный контакт потенциометра обычно электрически изолирован от чувствительной оси. Потенциометрический датчик, показанный на рис. 7.2А, имеет следующий недостаток. Подвижный контакт, двигаясь вдоль обмотки, может перемыкать то один, то два витка переменного резистора, что приводит к неравномерности шагов выходного напряжения или переменной разрешающей способности (рис. 7.2Б). Поэтому при использовании проволочного потенциометра из N витков можно говорить только о среднем разрешении n:
Объект затрачивает усилия для перемещения ползунка потенциометра, затраченная энергия выделяется в форме тепла. Как правило, проволочные потенциометры изготавливаются из тонкого провода диаметром порядка 0.01 мм.
Хороший потенциометр обеспечивает среднюю разрешающую способность около 0.1% от полной шкалы измерения, в то время как разрешение высококачественного пленочного потенциометра ограничивается только неоднородностью резистивного материала и шумовым порогом интерфейсной схемы. Потенциометры с непрерывным разрешением изготавливаются из проводящей пластмассы, углеродных пленок, металлических пленок или смеси металла и керамики, известной под названием кермет. Подвижные контакты прецизионных потенциометров изготавливаются из качественных сплавов металлов. Многооборотные угловые потенциометры измеряют перемещения в диапазоне 10°...3000°. Большинству потенциометров присущи следующие недостатки:
1. Значительная механическая нагрузка (трение).
2. Необходимость обеспечения механического контакта с объектом.
3. Низкое быстродействие.
4. Трение и напряжение возбуждения, приводящие к нагреву потенциометра.
5. Низкая устойчивость к факторам окружающей среды.