Характеристики резистивных датчиков
Резистивный датчик положения (РДП) относится к преобразователям с абсолютным отсчетом и представляет собой резистивный чувствительный элемент, сопротивление которого регулируется положением подвижного контакта. Функция преобразования РДП монотонна и непрерывна, благодаря чему кратковременная потеря информации не приводит к накоплению погрешности. Сопротивление РДП в процессе работы изменяется по закону:
где
— относительное перемещение подвижного
контакта;
R0 — номинальное сопротивление РДП.
Конструктивно потенциометрические или резистивные преобразователи перемещений представляют собой электромеханическое устройство, состоящее из активного сопротивления и скользящего контакта – щётки, передвигающейся по этому сопротивлению. Как правило, потенциометр, включается по схеме делителя напряжения, в некоторых случаях по схеме реостата.
Вариант включение РДП по схеме делителя приведен на рисунке 2.1 а)
В этой схеме РДП с сопротивлением R0 подключается к источнику ЭДС E с собственным сопротивлением R. В общем случае напряжение Uвых на выходе РДП, подаваемое на следующий каскад преобразователя (например, измерительный усилитель) с входным сопротивлением Rн, равно:
Под коэффициентом нагрузки понимают отношение сопротивления нагрузки к сопротивлению РДП:
Из рисунка 2.1, б)
видно, что при наличии нагрузки на выходе
РДП характеристика носит нелинейный
характер. Функция
становится
линейной при
.
Рисунок 2.1 – Включение РДП по схеме делителя напряжения (а), выходные характеристики РДП при различных коэффициентах нагрузки kН (б)
Если сопротивление
источника питания пренебрежительно
мало (R=0),
то после ряда математических преобразований
функция
принимает вид:
Конструктивные особенности резистивных датчиков
На рисунке 2.2 приведены основные типы существующих потенциометров. По виду резистивного (токопроводящего элемента), определяющего электрическое сопротивление, потенциометры делятся на проволочные и металлоплёночные (рисунок 2.2, е), в которых на изоляционное основание нанесена тонкая плёнка высокоомного металла.
Наибольшее применение нашли проволочные потенциометры. По виду электрической характеристики потенциометры делятся на линейные и функциональные (тригонометрические, степенные, логарифмические и др.). Потенциометры бывают секторными и многооборотными. У многооборотных потенциометров каркас, на который наматывается провод, изогнут по спиральной винтовой линии. На рисунке 2.3 показана конструкция многооборотного потенциометра. Достоинства потенциометров, это простота конструкции, малые габариты и масса, высокая точность и стабильность характеристики. Недостатки, это износ щётки и резистивного элемента, наличие сухого трения и зоны застоя.
1 - резистивный элемент; 2 - щетка; 3 - щеткодержатель;
4 - червяк; 5 - направляющая
Рисунок 2.2 - Схемы реостата (а) и потенциометров (б, в, г, д, е)
1-валик; 2-корпус; 3-спиральный каркас с намотанной на нем проволокой; 4-тонкосъемная щетка; 5-крышка
Рисунок 2.3 – Многооборотный потенциометр
Особое место среди потенциометрических преобразователей занимают маятниковые жидкостные переключатели. Эти элементы применяют в авиационных, корабельных и ракетных приборах для измерения отклонения от горизонтальной плоскости. На рисунке 2.4 приведен пример жидкостного электролитического датчика положения (переключателя). Переключатель представляет собой стеклянный баллон 1, в который вварены платиновые электроды 3,4,5. Баллон заполнен токопроводящей жидкостью 2. Имеющийся в баллоне пузырёк воздуха 6 перемещается относительно контактов 3 и 4 в зависимости от наклона баллона. При этом соответственно изменяется поверхность контактов, через которую проходит ток и электрическая проводимость токопроводящего слоя. В отличие от обычных потенциометров, питание жидкостного переключателя производится только переменным током.
1-стеклянный баллон; 2-тонкопроводящая жидкость; 3,4,5-электроды;
6-пузырек воздуха
Рисунок 2.4 - Электролитический ЧЭ, реагирующий на отклонение от
горизонтального положения