Глава 4

ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§ 4.1. Назначение. Принцип действия

Потенциометрические датчики предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал. Основной ча­стью датчика является реостат, сопротивление которого изменяется при перемещении движка, скользящего по проволоке (схема вклю­чения потенциометрического датчика показана на рис. 4.1, а). На­пряжение питания подается на всю обмотку реостата через непо­движные выводы этой обмотки. Выходное напряжение, пропорцио­нальное перемещению движка, снимается с одного из неподвижных выводов и с подвижного движка. Такая схема включения в электро­технике называется потенциометрической или схемой делителя на­пряжения.

Если сопротивление всей обмотки датчика обозначить через R, а сопротивление части этой обмотки, с которой снимается выход­ное напряжение, через Л„ых, то потенциометрическая схема включе­ния датчика может быть представлена как последовательное соеди­нение резисторов с сопротивлением RatK и (R-Rg^) (рис. 4.1, 6). Ток через обмотку датчика /= U/R, а приложенное напряжение рас­пределяется (делится) между последовательно соединенными рези­сторами: U= //^ых + I(R- Леи,). Если сопротивление обмотки равно­мерно распределить по длине /, а перемещение движка обозначить через х, то выходное напряжение датчика

Таким образом, выходной сигнал датчика пропорционален пе­ремещению движка.

В автоматических системах движок может быть механически связан с каким-либо устройством (клапаном, рулем, антенной, ре­жущим инструментом и т. п.), положение которого надо измерить и передать в виде электрического сигнала. Усилие, под действием ко­торого перемещается движок, в этом случае весьма велико. Поэтому для обеспечения надежного контакта между движком и обмоткой следует иметь достаточно большую силу прижатия движка. В авто­матических приборах для измерения различных неэлектрических величин движок датчика соединяется с чувствительным элементом, преобразующим контролируемую величину в перемещение. Усилие, развиваемое чувствительными элементами (мембранами, биметал­лическими пластинами, поплавками и т. п.), невелико. Поэтому не­льзя сильно прижимать движок к обмотке.

Наличие скользящего контакта снижает надежность потенцио-метрического датчика и является его основным недостатком. Для питания датчика может быть использовано как напряжение посто­янного тока, так и напряжение переменного тока невысокой часто­ты. Входным сигналом датчика может быть не только линейное, но и угловое перемещение.

В зависимости от закона изменения сопротивления обмотки различают линейные и функциональные потенциометрические дат­чики.

§ 4.2. Конструкции датчиков

Конструктивно потенциометрический датчик (рис. 4.2) состоит из каркаса /, на который намотана в один слой обмотка 2 из тонкого провода. По виткам обмотки скользит движок (щетка) 3, который механически связан с объектом, перемещение которого надо изме­рить. Обмотка выполнена из изолированного провода, а дорожка, по которой скользит движок, предварительно очищена от изоляции.'

Каркас выполнен обычно плоским или в виде цилиндра. Материалом карка­са может быть изолятор (текстолит, гетй-накс, пластмасса, керамика) или металл, покрытый слоем изоляции. Металличе­ские каркасы благодаря лучшей тепло­проводности позволяют получить боль­шую мощность электрического сигнала на выходе датчика. В качестве материала для такого каркаса может быть нанесен

слой оксидированного алюминия толщиной около 10 мкм. При рас­сматривании в лупу с двадцатикратным увеличением слой не дол­жен иметь трещин или неровностей. Напряжение пробоя такого слоя не менее 500 В.

Для обмотки потенциометрического датчика чаще всего приме­няют провод из манганина, константана и других проводниковых материалов, имеющих малый температурный коэффициент сопро­тивления. При больших усилиях прижатия движка используется провод диаметром 0,1—0,3 мм, при малых усилиях прижатия — про­вод из сплавов, в состав которых входят платина, серебро, иридий, рубидий, осмий и др. Диаметр провода Этаких точных датчиков вы­бирается в пределах 0,03—0,01 мм. Характеристики некоторых про­водниковых материалов, используемых для потенциометрических датчиков, приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Материалы проводов, используемых для потенциометрических датчиков

Материал провода

Удельное сопротивле­ние при /=20 'С, Ом-мм2

Температурный ко­эффициент сопро­тивления а, 1/"С

Допустимая темпера­тура нагрева, °С

Константам

0,49

(3*4) • 1(г*

500

Манганин

0,42

6-10-6

960

Нихром

1,08

(15*20) • 10-5

110

Вольфрам

0,056

464-10-5

3400

Платиноиридиевый сплав

0,23

-111 -10-5

1780

Провод наматывается на каркас с некоторым натяжением. При этом необходимо, во-первых, чтобы при понижении температуры провод не распускался из-за разных температурных коэффициентов линейного расширения материалов провода и каркаса; во-вторых, чтобы при нагреве корпуса провод при растяжении не достигал пре­дела упругости. Толщину каркаса не рекомендуется брать менее 4J, а радиус закругления на углах каркаса — менее Id. После намотки провода на каркас для укрепления витков и предохранения их от смещения всю поверхность покрывают тонким равномерным слоем бескислотного лака. Полировка контактной поверхности обмотки (дорожки движения) производится вдоль витков абразивной шкур-

кой на бумажной основе, шлифовальным алмазным кругом с мик­ропорошком, а проводов с эмалевой изоляцией — фетровым кру­гом. Ширина дорожки составляет обычно (2-кЗ)*/.

При d =0,1*0,3 мм движок потенциометрического датчика вы­полняется в виде пластинчатых щеток из серебра, серебра с палла­дием или (реже) фосфористой бронзы. Контактное усилие при этом принимается равным 0,05—0,1 Н, что обеспечивает силу тре­ния не более 3 • 10~2 Н. Для точных датчиков при d < 0,1 мм дви­жок делается из сплавов платины с иридием, бериллием или сереб­ром в виде двух—пяти тонких параллельных проволок. Контактное усилие при этом принимается равным 10~3—10~2 Н, т. е. иногда оно достигает 2 • 10"4 Н (20 мг) на отдельный контакт. Столь малые контактные усилия необходимы для высокоточных потенциометри-ческих датчиков, используемых, например, в ответственных косми­ческих объектах.

На рис. 4.3 приведена конструкция потенциометрического дат­чика для измерения угловых перемещений. Так же как и датчик ли­нейных перемещений, он состоит из каркаса / с обмоткой 2, по ко­торой скользит движок 3. Для съема сигнала с перемещающегося движка служит добавочная щетка 4, скользящая по токосъемному кольцу 5. Выходное напряжение датчика угловых перемещений про­порционально углу поворота подвижной части первичного измери­теля, соединенного с осью движка.

В некоторых автоматических приборах в качестве потенциомет­рического датчика используют так называемый реохорд (рис. 4.4). Он представляет собой натянутую проволоку, по которой скользит ползунок. Сопротивление реохорда пропорционально перемещению ползунка. Часто реохорд используют не в потенциометрической схе­ме, а включают в плечо мостовой схемы. В этом случае перемеще­ние движка преобразуется в изменение сопротивления R^

Соседние файлы в папке Раздел 2