3.1.2 Расчет потенциометрического датчика.

Исходными данными для расчета линейного потенциометрического датчика обычно выступают следующие параметры:

- схема включения,

- величина рабочего перемещения (линейного (мм) или углового (град)),

- требуемая точность (допустимая погрешность(%)),

- сопротивление нагрузки, подключаемой к выходу потенциометра (Ом).

- допускаемая мощность рассеивания (вт),

- максимальный выходной сигнал или напряжение питания (вольт).

На первом этапе расчета необходимо оценить допустимое значение сопротивления обмотки потенциометра.

Сопротивление обмотки потенциометра определяется по формуле

, (15)

где ρ – удельное сопротивление материала обмоточного провода (Ом*м),

l_СР – средняя длина одного витка обмотки (м),

w – число витков обмотки,

q – площадь поперечного сечения обмоточного провода по металлу (без учета толщины изоляции) (м²).

Для каркаса круглого сечения диаметром d_К

(16)

Для каркаса прямоугольного сечения (рис. 34)

, (17)

где d_K – диаметр круглого каркаса,

a, b и r – размеры прямоугольного сечения каркаса.

d_ИЗ – диаметр обмоточного провода с изоляцией.

Рис.34

Сечение каркаса потенциометра.

Первый шаг в расчете потенциометрического датчика состоит в оценке возможного значения сопротивления обмотки потенциометра.

С одной стороны сопротивления обмотки потенциометра влияет на погрешность статической характеристики (для однотактного потенциометра , где). Другая составляющая погрешности – максимальное значение погрешности ступенчатости зависит от числа витков обмотки.

С другой стороны от величины сопротивления обмотки потенциометра и напряжения питания зависит рассеиваемая на обмотке потенциометра мощность.

Разделив условно допускаемую погрешность поровну между влиянием сопротивления нагрузки и погрешностью ступенчатости, получим два соотношения:

и .

Если эти неравенства совместны, значение сопротивления обмотки потенциометра выбирается в полученных пределах.

Если неравенства несовместны, придется или изменять техническое задание на проектирование потенциометрического датчика (например, увеличить сопротивление нагрузки), или применять дополнительные схемные решения, позволяющие выполнить оба ограничения.

Наиболее рациональным техническим решением во втором случае можно считать подключение потенциометрического датчика к нагрузке через согласующий усилитель. От согласующего усилителя требуется большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление, что позволяет существенно уменьшить погрешность от влияния нагрузки. При большом входном сопротивлении согласующего усилителя долю погрешности от влияния нагрузки можно существенно сократить или увеличить допускаемую величину сопротивления потенциометра, чтобы снизить рассеиваемую в нем мощность.

В настоящее время широко используются согласующие усилители на основе операционных усилителей, имеющих достаточно большое входное сопротивление и позволяющие за счет обратной связи по напряжению обеспечить высокую точность передачи сигнала. Подробно организация схем с использованием операционных усилителей рассматривается в курсе электроники.

Зная допустимую величину погрешности ступенчатости можно определить минимальное число витков обмотки потенциометра

Исходя из полученного числа витков и величины сопротивления потенциометра, находим сопротивление одного витка обмотки.

Диаметр обмоточного провода (с изоляцией) можно найти, зная величину максимального перемещения и число витков обмотки. Для потенциометрических датчиков углового перемещения предварительно следует выбрать радиус дуги каркаса с учетом требований к габаритным размерам датчика или располагаемого места в конструкции прибора, для которого разрабатывается датчик.

Выбрав материал обмоточного провода и, соответственно, его удельное сопротивление ρ, находим длину одного витка обмотки. По формулам (16), (17) в зависимости от выбранного профиля каркаса, находим его геометрические параметры (для каркаса прямоугольного профиля один из параметров – толщину или ширину каркаса следует выбирать из конструктивных соображений).

Полученную геометрию каркаса оценивают с точки зрения технологичности его изготовления и сложности выполнения обмотки. При необходимости геометрические параметры каркаса корректируют, проверяя выполнение требований по величине сопротивления и числа витков обмотки. В конструкции каркаса предусматривают необходимые конструктивные элементы для крепления начала и конца обмоточного провода, подключения электрических цепей к обмотке потенциометра и закрепления каркаса в конструкции потенциометрического датчика

К разработке конструкции щетки потенциометрического датчика следует относиться особенно ответственно, т.к. именно щеточный узел определяет надежность и долговечность датчика. Требования к конструкции щетки противоречивы – для уменьшения переходного сопротивления контакта щетки с обмоткой потенциометра и повышения надежности контакта требуется увеличивать силу нажатия щетки, но увеличение этой силы приводит к увеличению силы трения между щеткой и обмоткой и ускоренному механическому износу, что снижает надежность и срок службы датчика.

Выбор силы контактного нажатия существенно зависит от материала обмотки и контактной щетки. В ответственных потенциометрических датчиках с обмотками и щетками из благородных металлов, обеспечивающих хороший контакт между собой, достаточно силы контактного нажатия 0,01 – 0,05 Н. В менее ответственных потенциометрах сила контактного нажатия может быть существенно больше, что приводит к сокращению срока службы.

Для обеспечения выбранной величины силы контактного нажатия в конструкцию щеточного узла вводится пружина. Наиболее распространены пружины в виде прямой упругой балки прямоугольного или круглого сечения, один конец которой защемлен, а другой соприкасается с обмоткой потенциометра. Величина усилия, создаваемого этой пружиной

F=С*x,

где С – жесткость пружины (Н/м), x – деформация пружины в собранном датчике. Рационально выбирать пружины с небольшой жесткостью и большой деформацией (единицы миллиметров). В этом случае величина силы контактного нажатия будет меньше зависеть от погрешности изготовления деталей, точности сборки и износа в процессе функционирования.

Жесткость прямой балки с защемленным концом по отношению к усилию, приложенному на свободном конце, определяется по формуле известной из курса сопротивления материалов (или соответствующего справочника)

,

где Е – модуль упругости материала балки (Н/м²),

J – момент инерции сечения балки (м⁴),

l – длина балки (м).

Для прямоугольного (b x h) сечения балки ,

для круглого сечения (диаметром d) / /.

Щетки потенциометрических датчиков часто изготавливаются из специальной проволоки. При проектировании щеток датчика основное внимание следует уделять вопросам надежности контакта щетки с обмоткой потенциометра.

Основные причины нарушения контакта – окисление или загрязнение контактирующих поверхностей и деформация щетки под действием инерционных сил при ускорениях, ударах и вибрациях.

Мерой борьбы с нарушением контакта является соответствующий выбор материалов контактной пары, величины силы контактного нажатия, формы и размеров щеток, а также частоты их собственных колебаний. Частота собственных колебаний щетки должна превышать частоту вибраций не менее чем вдвое.

Как отмечено выше, для экономии дорогостоящих материалов, необходимых для контакта щетки, конструкция щетки может быть выполнена составной. Примеры конструкции щеточного узла потенциометрических датчиков показаны на рис.35. Щетка, показанная на рис. 35а имеет три проволоки для повышения надежности контакта. Проволоки могут иметь разную длину и ,соответственно, разные собственные частоты.

У щетки, показанной на рис.35б расплющен участок вблизи заделки. Щетка изображенная на рси.35в прикреплена к пружинящей пластины с ребром жесткости.

Следующим шагом повышения надежности потенциометрических датчиков является использование принципа резервирования. Наиболее просто это достигается установкой второй труппы щеток, как показано на рис. 35г. При действии ускорений в направлении, перпендикулярном контактной поверхности, возможно нарушение контакта только у одной группы щеток. /8/

Рис.35

Варианты конструкции щеток потенциометров.