Potentiometrische Sensoren

Ein Potentiometersensor ist ein variabler Widerstand, an den eine Versorgungsspannung angelegt wird. Sein Eingangswert ist die lineare oder Winkelverschiebung des Stromsammelkontakts und der Ausgangswert ist die von diesem Kontakt aufgenommene Spannung, deren Größe sich je nach Position ändert Änderungen.

Potentiometrische Sensoren dienen dazu, lineare oder Winkelverschiebungen in ein elektrisches Signal umzuwandeln sowie einfachste Funktionsabhängigkeiten in automatischen und automatischen Geräten kontinuierlicher Art nachzubilden.

Anschlussplan für potentiometrische Sensoren

Nach Widerstand werden potentiometrische Sensoren unterteilt

• Lamellen mit konstantem Widerstand;

• Drahtspule mit kontinuierlicher Wicklung;

• mit einer Widerstandsschicht.

Aufgrund bestimmter Konstruktionsmängel wurden lamellenförmige potentiometrische Sensoren verwendet, um relativ grobe Messungen durchzuführen.

Bei solchen Sensoren werden auf die Lamellen speziell ausgewählte Konstantwiderstände aufgelötet.

Die Lamelle ist eine Struktur mit abwechselnd leitenden und nicht leitenden Elementen, auf denen der Kollektorkontakt gleitet.Wenn der Stromkollektor von einem leitenden Element zum anderen bewegt wird, ändert sich der Gesamtwiderstand der daran angeschlossenen Widerstände um einen Betrag, der dem Nennwert eines Widerstands entspricht. Die Widerstandsänderung kann in einem weiten Bereich erfolgen. Der Messfehler wird durch die Größe der Kontaktpads bestimmt.

Lamellenpotentiometersensor

Drahtpotentiometer-Sensoren sind für genauere Messungen konzipiert. In der Regel handelt es sich bei ihren Konstruktionen um einen Rahmen aus Getinax, Textolit oder Keramik, auf den ein dünner Draht in einer Lage gewickelt ist, der sich in einer Windung dreht und auf dessen gereinigter Oberfläche ein Stromkollektor gleitet.

Der Durchmesser des Drahtes bestimmt Genauigkeitsklasse Potentiometersensor (hoch ist 0,03–0,1 mm, niedrig ist 0,1–0,4 mm). Drahtmaterialien: Manganin, Fechral, ​​​​Legierungen auf Edelmetallbasis. Der Schleifring besteht aus einem weicheren Material, um ein Scheuern des Drahtes zu verhindern.

Die Vorteile von Potentiometersensoren:

• Einfachheit des Designs;

• geringe Größe und geringes Gewicht;

• hoher Grad an Linearität der statischen Eigenschaften;

• Stabilität der Eigenschaften;

• Möglichkeit des Betriebs mit Wechselstrom und Gleichstrom.

Nachteile von Potentiometersensoren:

• das Vorhandensein eines Schleifkontakts, der durch Oxidation der Kontaktbahn, Reiben der Windungen oder Verbiegen des Schiebers Schäden verursachen kann;

• Fehler im Betrieb aufgrund von Belastung;

• relativ kleiner Umrechnungsfaktor;

• hohe Empfindlichkeitsschwelle;

• das Vorhandensein von Lärm;

• Anfälligkeit für elektrische Erosion unter dem Einfluss von Impulsentladungen.

Statische Kennlinie potentiometrischer Sensoren

Statische Kennlinie eines irreversiblen potentiometrischen Sensors

Betrachten wir als Beispiel einen Potentiometersensor mit durchgehender Spule. An den Potentiometerklemmen liegt eine Wechsel- oder Gleichspannung U an. Der Eingangswert ist der Weg X, der Ausgangswert ist die Spannung Uout. Für den Leerlaufmodus ist die statische Kennlinie des Sensors linear, da die Beziehung gilt: Uout = (U / R) r,

wobei R der Spulenwiderstand ist; r ist der Widerstand eines Teils der Spule.

Vorausgesetzt, dass r / R = x / l, wobei l die Gesamtlänge der Spule ist, erhalten wir Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

wobei K der Umwandlungskoeffizient (Transmissionskoeffizient) des Sensors ist.

Offensichtlich reagiert ein solcher Sensor nicht auf eine Änderung des Vorzeichens des Eingangssignals (der Sensor ist irreversibel). Es gibt Schemata, die empfindlich auf Signaturänderungen reagieren. Die statische Kennlinie eines solchen Sensors hat die in der Abbildung dargestellte Form.

Umkehrschaltung eines Potentiometersensors

Statische Kennlinie eines reversiblen potentiometrischen Sensors

Die resultierenden idealen Eigenschaften können aufgrund verschiedener Fehlerarten erheblich von den realen abweichen:

1. Totzone.

Die Ausgangsspannung variiert diskret von Windung zu Windung, d. h. Diese Zone tritt auf, wenn sich Uout bei einem kleinen Eingangswert nicht ändert.

Die Größe des Spannungssprungs wird durch die Formel bestimmt: DU = U / W, wobei W die Anzahl der Windungen ist.

Die Empfindlichkeitsschwelle wird durch den Durchmesser des Spulendrahtes bestimmt: Dx = l / W.

Potentiometrischer Sensor für Totzone

2. Unregelmäßigkeit der statischen Eigenschaften aufgrund der Variabilität von Drahtdurchmesser, Widerstand und Wicklungssteigung.

3. Ein Fehler durch Spiel, das zwischen der Drehachse des Motors und der Führungshülse aufgetreten ist (Druckfedern werden verwendet, um es zu reduzieren).

4.Fehler aufgrund von Reibung.

Bei geringen Leistungen des die Bürste des Potentiometersensors antreibenden Elements kann es aufgrund der Reibung zu einer Stagnationszone kommen.

Der Bürstendruck muss sorgfältig eingestellt werden.

5. Fehler durch Lasteinfluss.

Je nach Art der Belastung kommt es sowohl im statischen als auch im dynamischen Modus zu einem Fehler. Bei aktiver Belastung ändert sich die statische Kennlinie. Der Ausgangsspannungswert wird gemäß dem Ausdruck bestimmt: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Diese. Uout = f (r) hängt von Rn ab. Mit Rn >> R kann gezeigt werden, dass Uout = (U / R) r;

Wenn Rn ungefähr gleich R ist, ist die Abhängigkeit nichtlinear und der maximale Fehler des Sensors liegt dann vor, wenn der Schieber von (2/3))l abweicht. Wählen Sie normalerweise Rн / R = 10 … 100. Die Größe des Fehlers bei x = (2/3) l kann durch den Ausdruck bestimmt werden: E = 4/27η, wobei η= Rн / R – Lastfaktor.

Potentiometrischer Sensor unter Last

a – Ersatzschaltbild eines potentiometrischen Sensors mit einer Last, b – Einfluss der Last auf die statische Kennlinie des potentiometrischen Sensors.

Dynamische Eigenschaften potentiometrischer Sensoren

Übertragungsfunktion

Um die Übertragungsfunktion abzuleiten, ist es bequemer, den Laststrom als Ausgangswert zu verwenden; es kann mit dem Äquivalentgeneratorsatz bestimmt werden. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Betrachten Sie zwei Fälle:

1. Die Last ist rein aktiv Zn = Rn, weil Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

wobei K1 die Leerlaufdrehzahl des Sensors ist.

Durch Anwendung der Laplace-Transformation erhalten wir die Übertragungsfunktion W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

Auf diese Weise haben wir eine trägheitslose Verbindung erhalten, was bedeutet, dass der Sensor alle dieser Verbindung entsprechenden Frequenz- und Zeiteigenschaften aufweist.

Gleichartiger Schaltkreis

2. Induktive Last mit aktiver Komponente.

U = RvnIn + L(dIn / dt) + RnIn

Unter Anwendung der Laplace-Transformation erhalten wir Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Durch Transformationen kann man zu einer Übertragungsfunktion der Form W (p) = K / (Tp + 1) gelangen – einem aperiodischen Zusammenhang 1. Ordnung,

wobei K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L / (Rvn + Rn);

Internes Rauschen des Potentiometersensors

Wie gezeigt, ändert sich die Ausgangsspannung abrupt, wenn sich die Bürste von Umdrehung zu Umdrehung bewegt. Der durch den Schritt erzeugte Fehler liegt in Form einer Sägezahnspannung vor, die der Ausgangsspannung der Übertragungsfunktion überlagert ist, d. h. ist Lärm. Wenn die Bürste vibriert, entstehen durch die Bewegung auch Geräusche (Interferenzen). Das Frequenzspektrum von Vibrationsgeräuschen liegt im Audiofrequenzbereich.

Um Vibrationen zu eliminieren, bestehen Stromabnehmer aus mehreren zusammengefalteten Drähten unterschiedlicher Länge. Dann ist die Eigenfrequenz jedes Drahtes unterschiedlich, was das Auftreten technischer Resonanzen verhindert. Das thermische Rauschen ist gering und wird bei besonders empfindlichen Systemen berücksichtigt.

Funktionelle potentiometrische Sensoren

Es ist zu beachten, dass funktionale Übertragungsfunktionen in der Automatisierung häufig verwendet werden, um nichtlineare Abhängigkeiten zu erhalten. Sie werden auf drei Arten aufgebaut:

• Ändern des Drahtdurchmessers entlang der Spule;

• Änderung der Spulensteigung;

• die Verwendung eines Rahmens mit einer bestimmten Konfiguration;

• durch Manövrieren der Abschnitte linearer Potentiometer mit Widerständen unterschiedlicher Größe.

Um beispielsweise eine quadratische Abhängigkeit nach der dritten Methode zu erhalten, ist es notwendig, die Breite des Rahmens linear zu ändern, wie in der Abbildung gezeigt.

Funktionsfähiger Potentiometersensor

Mehrgangpotentiometer

Herkömmliche Potentiometersensoren haben einen begrenzten Arbeitsbereich. Sein Wert wird durch die geometrischen Abmessungen des Rahmens und die Anzahl der Spulenwindungen bestimmt. Sie können nicht unbegrenzt wachsen. Daher haben Potentiometersensoren mit mehreren Windungen Anwendung gefunden, bei denen ein Widerstandselement spiralförmig mit mehreren Windungen verdreht wird und deren Achse mehrmals gedreht werden muss, damit sich der Motor von einem Ende der Spule zum anderen bewegt, d. h. Die elektrische Reichweite solcher Sensoren beträgt ein Vielfaches von 3600.

Der Hauptvorteil von Mehrgangpotentiometern ist ihre hohe Auflösung und Genauigkeit, die durch die große Länge des Widerstandselements bei geringen Gesamtabmessungen erreicht wird.

Photopotentiometer

Fotopotentiometer – ist ein berührungsloses Analogon eines herkömmlichen Potentiometers mit einer Widerstandsschicht, der mechanische Kontakt darin wird durch einen fotoleitenden ersetzt, was natürlich die Zuverlässigkeit und Lebensdauer erhöht. Das Signal des Photopotentiometers wird durch eine Lichtsonde gesteuert, die als Schieber fungiert. Es wird durch eine spezielle optische Vorrichtung gebildet und kann durch äußere mechanische Einwirkung entlang der fotoleitenden Schicht verschoben werden. An der Stelle, an der die Fotoschicht belichtet wird, tritt (im Vergleich zur dunklen) überschüssige Fotoleitfähigkeit auf und es wird ein elektrischer Kontakt hergestellt.

Photopotentiometer werden nach Zweck in lineare und funktionale unterteilt.

Funktionelle Photopotentiometer ermöglichen aufgrund der profilierten Widerstandsschicht (hyperbolisch, exponentiell, logarithmisch) die Umwandlung der räumlichen Bewegung der Lichtquelle in ein elektrisches Signal mit einer vorgegebenen funktionalen Form.