ЭиУСУ / ЛИТЕРАТУРА_ЭиУСУ / Маханько_Элементы и устройства систем управления

где dK – диаметр круглого каркаса,

a, b и r – размеры прямоугольного сечения каркаса. dИЗ – диаметр обмоточного провода с изоляцией.

dиз

a

r

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 по-

грешность статической характеристики (для однотактного потенциометра

61

δUx = β / 4 , где β = R / RH ). 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 со-

противления нагрузки и погрешностью ступенчатости, получим два соотноше-

ния:

Если эти неравенства совместны, значение сопротивления обмотки потен-

циометра выбирается в полученных пределах.

Если неравенства несовместны, придется или изменять техническое зада-

ние на проектирование потенциометрического датчика (например, увеличить со-

противление нагрузки), или применять дополнительные схемные решения, поз-

воляющие выполнить оба ограничения.

Наиболее рациональным техническим решением во втором случае можно считать подключение потенциометрического датчика к нагрузке через согласу-

ющий усилитель. От согласующего усилителя требуется большое входное со-

противление и малое выходное сопротивление, что позволяет существенно уменьшить погрешность от влияния нагрузки. При большом входном сопротив-

лении 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 ос-

нове операционных усилителей, имеющих достаточно большое входное сопро-

62

тивление и позволяющие за счет обратной связи по напряжению обеспечить вы-

сокую 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 потен-

циометра, 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 располагаемо-

го 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 пара-

метры (для каркаса прямоугольного профиля один из параметров – толщину или ширину каркаса следует выбирать из конструктивных соображений).

Полученную геометрию каркаса оценивают с точки зрения технологично-

сти его изготовления и сложности выполнения обмотки. При необходимости геометрические параметры каркаса корректируют, проверяя выполнение требо-

ваний по величине сопротивления и числа витков обмотки. В конструкции кар-

каса предусматривают необходимые конструктивные элементы для крепления начала и конца обмоточного провода, подключения электрических цепей к об-

мотке потенциометра и закрепления каркаса в конструкции потенциометриче-

ского 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 проти-

воречивы – для уменьшения переходного сопротивления контакта щетки с об-

63

моткой потенциометра и повышения надежности контакта требуется увеличи-

вать 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 об-

мотки и контактной щетки. В ответственных потенциометрических датчиках с обмотками и щетками из благородных металлов, обеспечивающих хороший кон-

такт между собой, достаточно силы контактного нажатия 0,01 – 0,05 Н. В менее ответственных потенциометрах сила контактного нажатия может быть суще-

ственно больше, что приводит к сокращению срока службы.

Для обеспечения выбранной величины силы контактного нажатия в кон-

струкцию щеточного узла вводится пружина. Наиболее распространены пружи-

ны 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 датчи-

ке. Рационально выбирать пружины с небольшой жесткостью и большой дефор-

мацией (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 кур-

са сопротивления материалов (или соответствующего справочника)

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

J – момент инерции сечения балки (м4), l – длина балки (м).

64

Для прямоугольного (b x h) сечения балки J = bh3 ,

Щетки потенциометрических датчиков часто изготавливаются из специ-

альной проволоки. При проектировании щеток датчика основное внимание сле-

дует уделять вопросам надежности контакта щетки с обмоткой потенциометра.

Основные причины нарушения контакта – окисление или загрязнение кон-

тактирующих 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 собствен-

ных колебаний щетки должна превышать частоту вибраций не менее чем вдвое.

Как отмечено выше, для экономии дорогостоящих материалов, необходи-

мых 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. Щет-

ка изображенная на рси.35в прикреплена к пружинящей пластины с ребром жесткости.

Следующим шагом повышения надежности потенциометрических датчи-

ков является использование принципа резервирования. Наиболее просто это до-

стигается установкой второй труппы щеток, как показано на рис. 35г. При дей-

ствии ускорений в направлении, перпендикулярном контактной поверхности,

возможно нарушение контакта только у одной группы щеток. /8/

65

Для обеспечения требуемой функциональной зависимости рассмотрим связь изменения выходного сигнала с распределением сопротивления обмотки по длине каркаса потенциометра (рис.36).

Пусть сопротивление обмотки распределено по длине каркаса по закону r(x) (Ом/м).

r(x)

x

l

Рис.36

Распределение сопротивления потенциометра по длине каркаса.

В этом случае выходное напряжение в схеме однотактного (рис.28 а) по-

тенциометра при RH=∞ имеет вид

где R – полное сопротивление обмотки, U0 – напряжение питания датчика.

В частном случае для линейного датчика

перемещения щетки потенциометра). Для получения линейной статической ха-

рактеристики потенциометрического датчика сопротивление обмотки должно быть равномерно распределено по длине каркаса.

Реализация заданного распределения сопротивления обмотки по длине каркаса возможна несколькими способами:

-намотка с переменным шагом;

-изменение сечения обмоточного провода на различных участках об-

мотки;

67

-изменение длины витка за счет изменения профиля каркаса.

Наиболее часто применяется третий способ как самый технологичный. В

этом случае каркас выполняют прямоугольного сечения постоянной толщины, а

ширина каркаса определяется в соответствии с требуемой функциональной зави-

симостью.

Например, для датчика с функциональной зависимостью U (x) = kx2 рас-

пределение сопротивления по длине каркаса принимает вид r(x) = R 2kx ,

U0

При выполнении намотки на профилированный каркас может возникнуть проблема сползания витков на участках каркаса с большим уклоном. Для устра-

нения этой проблемы применяется другой способ профилирования каркаса. По-

скольку воспроизведение требуемой функциональной зависимости возможно с некоторой ограниченной точностью, исходная функциональная зависимость за-

меняется кусочно-ломаной линией с допустимой погрешностью (рис.37а). В

этом случае профиль каркаса состоит из участков постоянной ширины bi (рис.37

б), что упрощает процессы изготовления каркаса и намотки.

68

В настоящее время в связи с широким применением мощных вычисли-

тельных средств (микропроцессоров и микроконтроллеров) при построении дат-

чиков интерес к функциональным потенциометрам снижается.

3.1.4 Динамические свойства потенциометрических датчиков

Поскольку входным сигналом потенциометрического датчика является ме-

ханическое перемещение, а выходным – напряжение на нагрузке, динамические свойства зависят не только от самого датчика, но и от характера нагрузки. Для простоты рассмотрим случай, когда нагрузка носит чисто активный (омический)

характер. Если принять, что обмотка потенциометра является чисто активной, то по каналу "входное перемещение – выходное напряжение" датчик является безынерционным звеном и имеет передаточную функцию W(p)=k.

При более подробном рассмотрении динамических свойств потенциомет-

рического датчика потребуется учет индуктивности обмотки, межвитковой ем-

кости и емкости монтажа, что приведет к появлению запаздывания выходного сигнала, и динамические свойства датчика будут описываться передаточной функцией колебательного звена

W ( p) = k .

T 2 p2 + 2ξTp + 1

Для реальных конструкций потенциометрических датчиков собственная частота колебаний ω = 1T выше десятков мегагерц, поэтому при использовании датчика в системе, где все процессы происходят в полосе не выше сотен герц описание динамики датчика безынерционным звеном вполне допустимо.

Для устранения погрешности ступенчатости и уменьшения стоимости раз-

рабатывались конструкции датчиков, в которых резистор изготавливался не намоткой провода на каркас, а напылением высокоомного материала на плоскую подложку (как в производстве электронных микросхем). Однако обеспечить вы-

69

сокую точность, стабильность от экземпляра к экземпляру и линейность стати-

ческой характеристики таких потенциометрических датчиков оказалось затруд-

нительно. Благодаря своей дешевизне такие переменные резисторы широко при-

меняются в тех случаях когда высокая точность не требуется, например, в руч-

ных регуляторах громкости в бытовой радиоаппаратуре.

Достоинства потенциометрических датчиков:

-простота и гибкость конструкции;

-простая технология изготовления;

-малый вес;

-большая величина и мощность выходного сигнала;

-возможность работы, как на постоянном, так и на переменном токе;

-достаточно высокая устойчивость к климатическим воздействиям (при соответствующем выборе материалов);

-устойчивость к воздействию проникающей радиации;

Недостатки потенциометрических датчиков:

-наличие подвижного контакта обуславливает снижение надежности и срока службы;

-необходимость принимать специальные конструктивные меры при работе датчика в условиях действия ударов, перегрузок и вибрации;

-невозможность измерения очень малых и больших перемещений;

В настоящее время разрабатываются конструкции бесконтактных потен-

циометрических датчиков на основе фоторезисторов с управлением путем пере-

мещения светового пятна или на основе магниторезисторов, управляемых изме-

нением магнитного поля путем перемещения постоянного магнита /13/.

Эти датчики имеют большой срок службы, но проигрывают классическим датчикам по устойчивости к внешним воздействиям.

70