Глава 2. Принципы преобразования в датчиках

2.1. Реостатные преобразователи

В реостатных (потенциометрических) преобразователях осуществляется преобразования физической величины в перемещение движка реостата (линейное или угловое), которое преобразуется в изменение сопротивление реостата:

Таким образом, любая физическая величина, сводимая в результате тех или иных преобразований к линейному или угловому перемещению, может быть измерена с помощью реостатных преобразователей – давление (прогиб мембраны с помощью соответствующей кинематической схемы преобразуется в перемещение движка реостата), линейные ускорения (аналогично), углы поворота, линейные и относительные перемещения и т.д.

Главное достоинство реостатных преобразователей – относительная простота и отсутствие необходимости в дополнительной электронно-преобразующей аппаратуре.

Главный недостаток – наличие подвижного контакта и связанные с ним проблемы обеспечения надежности и стабильности контакта, износоустойчивости, виброустойчивости. Однако многолетняя практика проектирования и использования реостатных преобразователей даже в такой области техники, как ракетно-космическая, характеризуемой экстремальными условиями эксплуатации, показывает, что эти проблемы успешно в основном преодолеваются.

Главной конструктивной модификацией реостатных преобразователей являются проволочные реостаты, намотанные на каркасе. Витки между собой надежно изолируются, щетка реостата скользит по контактной дорожке. Ширина контактной поверхности составляет 2…3 витка реостата. Другая щетка скользит по токосъемнику. Намотка может быть равномерной и неравномерной, форма каркаса может изменять по требуемому закону длину витков, что в результате формирует функцию преобразования преобразователя по тому или иному функциональному закону [9].

Основные материалы, используемые для намотки реостатов – манганин, константан, нихром. В особых случаях используются благородные металлы (сплав платины с иридием или палладием).

Щетки должны обладать пружинистыми свойствами. Для обеспечения виброустойчивости контакта щетка, как правило, делается составной (из двух-трех проволочек разной длины и, следовательно, с разной резонансной частотой). Эта мера целесообразна, но не исключает «дребезга» контакта при полигармонической вибрации. Надежности контакта способствует увеличение прижимного усилия, однако, это в свою очередь приводит к повышенному износу и щеток, и витков, переносу металлической пыли в межвитковые зазоры, потери изоляции между ними и даже перемыканию витков. Кроме того, увеличение контактного усилия приводит к росту обратной реакции датчика и искажению измеряемого процесса.

При проволочной реализации реостата изменение сопротивления при перемещении движка является ступенчатым. Дискрет оказывается тем меньше, чем больше витков имеет реостат.

От этого недостатка свободны металлопленочные реостатные преобразователи, или реохорды, которые, однако, используются реже.

Динамические возможности реостатных преобразователей определяются их подвижными элементами. Поэтому они используются в датчиках для измерений медленно меняющихся параметров (до 10 Гц). При измерении физических параметров, преобразуемых в малые перемещения, в датчиках используются множительные кинематические схемы. При измерении больших перемещений преобразователи делаются многооборотными. В датчиках относительного пути преобразователи размещаются в шарнирных подвесах и таким образом измеряются и путь, и углы расхождения.

Возвратные усилия в таких датчиках обеспечиваются калиброванными пружинными механизмами.