Основной недостаток реостатных датчиков

Лекция № 8-3 Датчики активного сопротивления

Реостатные датчики ( потенциометрические ) представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением.

Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной – изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать. Перемещение ползунка можно считать входной величиной, а величина сопротивления, включенного в сеть, реостата будет выходной величиной. В конструкции датчика реостатного типа также должна присутствовать определенная однозначная зависимость.

Элементы реостатного датчика

Датчик состоит из следующих элементов:

1. Каркаса 1.
2. Сопротивления в виде намотки, которая состоит из проволоки 2.
3. Подвижной щетки 3, которая будет скользить по поверхности реостата.

Реостатные датчики бывают 2 типов:

• С бесступенчатой многооборотной обмоткой.
• С секционированной намоткой.

В датчиках, которые имеют секционированное сопротивление во время перемещения щетки будет происходить ступенчатое изменение сопротивления. Если датчик будет иметь бесступенчатую намотку, тогда в этом случае изменение сопротивления будет плавным.

Преимущества датчиков с секционированным сопротивлением

Основным достоинством датчиков подобного типа считается то, что они позволяют осуществлять работу с большими токами. Этого удалось добиться благодаря тому, что работа контактов будет осуществляться в благоприятном режиме.

Характеристика линейного реостатного датчика может иметь следующий вид:

1. R_x= (R : L)x, где:
2. R_x – сопротивление, которое будет включенное в цепь.
3. L – полная длина намотки.
4. R – полное сопротивление намотки.
5. X – перемещение щетки.

Если реостатный датчик в дальнейшем будет подключаться через схему потенциометра, тогда он получит название потенциометрический датчик.

Величина напряжения, которое будет сниматься с реостата будет зависеть от положения движка.

• Если движок потенциометра будет находиться в крайнем левом положении, тогда напряжение U_x, которое с него будет сниматься будет минимальным.
• Если движок будет перемещаться вправо, тогда в этом случае напряжение постепенно будет увеличиваться.

Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения.

Напомним, что делителем напряжения называют электротехническое устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части; делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.

Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные резисторы, выполняют из различных материлов — обмоточного провода, металлических пленок, полупроводников и т. д.

Примеры потенциометрических датчиков на автомобиле:

• датчик педали газа или модуль педали газа для определения желаемого момента поворота для управления двигателем;
• датчик уровня заполнения топливного бака;
• потенциометр порога гидродинамической муфты (КЕ- и L-Jetronic) для определения объема воздуха, который всосал двигатель;
• датчик угла дроссельной заслонки для определения ее положения в бензиновых двигателях (рисунки 3…5).

Рис. Потенциометрический датчик уровня заполнения топливного бака:

1. Электрические подключения
2. Поля контактов скольжения
3. Контактная заклепка
4. Плата сопротивления
5. Штифт подшипника
6. Двойной контакт
7. Рычаг поплавка
8. Поплавок
9. Дно топливного бака

Рис. Датчик дроссельной заслонки (конструкция):

1. Вал дроссельной заслонки
2. дорожа сопротивления 1
3. дорожка сопротивления 2
4. Цапфа скользящего контакта со скользящими контактами
5. Электро-подключение

Тензорезисторы (тензометрические датчики) служат для изме­рения механических напряжений, небольших деформаций, вибра­ции. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.

Тензометрические датчики имеют классификацию, как по форме, так и по особенностям конструкции, которая зависит от вида чувствительного элемента.

Применяются следующие виды датчиков:

Датчик из фольги

Применяется в виде наклеивания на поверхность. Конструкция датчика состоит из фольговой ленты 12 мкм. Частично пленка плотная, остальная часть решетчатая. Эта конструкция отличительна тем, что к ней можно припаять вспомогательные контакты. Такие датчики легко используются при низких температурах.

Пленочные датчики

изготовлены по аналогии с фольговыми, кроме материала. Такие виды производятся из тензочувствительных пленок, имеющих специальное напыление, повышающее чувствительность датчика. Эти измерители удобно применять для контроля динамической нагрузки. Пленки изготавливаются из германия, висмута, титана.

Проволочный вариант

датчика может измерить точную нагрузку от сотых частей грамма до тонн. Они называются одноточечные, так как измерение происходит не на площади, а в одной точке, в отличие от датчиков из фольги и пленки. Проволочными датчиками можно контролировать растяжение и сжатие.

Принцип действия тензодатчиков

Тензометрические датчики представляет собой конструкцию из тензорезистора, имеющего контакт на панели. Она соприкасается с телом для измерения. Принципиальная схема действия датчика заключается в действии на чувствительный элемент исследуемой детали. Для подключения датчика к питанию используются электроотводы, соединенные с чувствительной пластиной.

В контактах существует постоянное напряжение. На тензодатчик кладется деталь через подложку. Вес детали разрывает цепь путем деформации. Деформация видоизменяется в сигнал тока.

Резистивный тензодатчик

Это широко применяемый вид датчиков, так как интервал усилий работы составляет от 5 Н до 5 МН, используются для разных нагрузок. Преимуществом его стала линейность сигнала выхода. Рабочий элемент – тензорезистор, состоящий из проволоки на гибкой подложке.

1 — Подложка
2 — Чувствительный элемент
3 — Контакты

Датчик приклеивают к измеряемому предмету. Под действием деформации изменяется сопротивление резистора, а соответственно подающего сигнала.

Тактильные датчики

Этот тип датчиков самый новый, появился после возникновения робототехники. Тактильные датчики делятся на: датчики усилия, касания, проскальзывания. Первые два определяют силу и отличаются сигналом. От других они отличаются небольшой толщиной из-за применения специальных материалов, обладающих прочностью, эластичностью, гибкостью.

Конструкция состоит из 2-х пластин(1 и 2). Между ними находится прокладка (3) с ячейками из изоляционного материала. Один провод соединен с верхней, второй с нижней пластиной. При воздействии силы на верхнюю пластину она прогибается и замыкается с нижней. Падение напряжения на резисторе является сигналом выхода.

Термометрические датчики (терморезисторы) — сопротивление зависит от температуры.

Терморезисторы делятся по типу зависимости сопротивления от температуры. Они могут быть отрицательными (NTC) или положительными (PTC).

Измерения легче проводить при помощи терморезисторов.

Принцип работы построен на изменении сопротивления материалов при изменении внешней температуры.

Высокая точность присуща для приборов, изготовленных из платины. На работу терморезисторов влияют две характеристики.

Первая – базовое сопротивление, второе – температура, при которой оно определяется. ГОСТ устанавливает, что определение должно проходить при 0 градусов по Цельсию. В нормативном документе указывается, что рекомендуется использовать несколько номиналов сопротивлений, определяемых в Омах, а также температуры, что позволит сопоставить результаты при 0°С и другом показателе. Для этого используется следующая формула:

Температурный коэффициент будет изменяться в зависимости от используемого материала для термометров, что отражено в ГОСТе. В нормативном документе также указываются коэффициенты полинома, необходимые для расчета в зависимости от текущего сопротивления.

Термометры сопротивления обладают одним минусом – низкий температурный коэффициент сопротивления. Несмотря на этот нюанс, использование терморезисторов проще по сравнению с принципом работы термопары.

Способы измерения будут зависеть от комплектации модели. Базовые терморезисторы необходимо включать в цепь с источником тока и контролируемого дифференциального напряжения. Чтобы корректно определить доли единицы процента получаемых от температурного коэффициента проводников, лучше использовать аналого-цифровые преобразователи.

Если в датчик уже встроен аналоговый выход, соответствующий питаемому напряжению, то для оцифровывания можно напрямую подключать терморезистор к преобразователю

Комбинированные

Комбинированные датчики включают в себя несколько полупроводников, объединенных в единое устройство. Датчики могут иметь встроенный цифровой интерфейс, а не только интегральные схемы с выходом. Часто используется комбинированный датчик благодаря возможности подключения параллельных устройств. Погрешность при расчете температуры равна 2 °С, а при определении влажности – 5%. Проблема в таком датчике одна – оптимизация интерфейса.

Цифровые

В цифровых датчиках устанавливается трехвыводная микросхема. Показатели считываются с нескольких параллельно работающих датчиков, что позволяет получить показания с точностью 0,5 °С. Работа электронного термометра возможна от -55 до +125 °С. Единственным минусом устройства является скорость получения результатов – 750 секунд для получения максимально точного показателя. Определение точности прибора осуществляется при помощи соответствующих регулировок, которые необходимы для уменьшения количества затрачиваемого времени на получение результата. Опрос датчика не имеет смысла, так как корпус является инерционным.

Бесконтактные

Работа датчика основана на нагревании тонкой пленки, что осуществляется благодаря воздействию инфракрасных лучей. Встретить подобную технологию можно в пирометрических устройствах. В отличии от контактного, получить данные можно на расстоянии.

Источник

Параметрические датчики активного сопротивления

ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

ПРИБОРЫ АВТОМАТИКИ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ

(элктрические датчики)

Классификация датчиков и требования к ним.Одним из главных элементов любой системы автоматики и телемеханики являются электрические датчики. Назначение датчика — преобразование контролируемой величины в величину другого рода, удобную для дальнейшего использования. В большинстве случаев датчики преобразуют неэлектрическую величину в электрическую. Основной характеристикой датчика является зависимость выходной величины Y от входной X

К электрическим датчикам предъявляются следующие требования : надежность в работе, непрерывная линейная зависимость выходной величины к входной, высокая динамическая чувствительность, малая инерционность, отсутствие влияния датчика на измеряемый параметр, минимальная масса и габариты.

Классифицируются датчики по двум признакам — характеру электрических величин, получаемых на выходе, и виду контролируемой неэлектрической величины (табл. 1)

По характеру электрических величин ,получаемых на выходе, электрические датчики делятся на параметрические и генераторные. К параметриче­ским датчикам относятся такие элементы, у которых изменение контролируемой величины вызывает изменение параметра электрической цепи (ак­тивного сопротивления, индуктивности или емкости). Генераторные – датчики, которые сами являются источниками электрической энергии, причем возникающая на выходе энергия пропорциональна контролируемой величине.

В зависимости от вида контролируемой величины различают датчики тепловые, состава, перемещения и т. д.

Часто применяются электрические датчики с промежуточным преобразованием. Преобразование контролируемой величины в таких датчиках происходит по схеме измеряемая величина — механическое воздействие — электрическая величина. Например, давление преобразуется в перемещение стрелки, которое затем преобразуется в изменение активного сопротивления.

Реостатные и потенциометрические датчики служат для преобразования углового перемещения в электрический сигнал. Эти датчики выполнены в виде переменного сопротивления, подвижный контакт которого механически связан с преобразуемым элементом.

Обычно они представляют собой проволочный реостат, ползунок которого перемещается под воздействием контролируемого или регулируемого параметра (рисунок 1)

Выходное напряжение датчика в режиме холостого хода определяется по формуле:

R_X — сопротивление введенной части датчика;

R — полное сопротивление датчика

При равномерной намотке датчика сопротивление проволоки на единицу длины постоянно и определяется из равенства:

где : l — перемещение ползунка датчика;

Тогда значение

где K = U / L — коэффициент передачи.

Свойства потенциометрического датчика определяются его характеристикой U вых = f ( x) .Тщательные измерения показывают, что выходное на-пряжение проволочных датчиков изменяется неплавно, а ступенчато, так как непрерывному изменению параметра соответствует ступенчатое изменение сопротивления, равное значению сопротивления одного витка (токосъемный элемент движка не соприкасается с поверхностью провода по всей длине, а контактирует только с определенной частью отдельных витков обмотки) .

Рассмотрим характеристику потенциометрического датчика (Рисунок 2). Реальное изменение выходного напряжения показано ломаной линией О а б в г д е . O. Анализ этих характеристик показывает, что ступенчатость зависит от числа витков на всей длине L рабочей части потенциометра и, что до полного включения первого витка обмотки выходное напряжение фактически равно нулю и определяется по оси L отрезком О а .

После включения этого витка выходное напряжение изменяется скачком и достигает значения аб(U1) . Соответствующее скачкообразное приращение напряжения происходит каждый раз, когда движок переходит с первого витка на другой и т.д

Расчетная характеристика потенциометрического датчика представлена прямой ОО’.

Таким образом существует отклонение реальной характеристики от расчетной.Для уменьшения численного значения погрешности стремятся к

увеличению числа витков датчика на единицу контролируемого параметра, что приводит к уменьшению ступенчатости харак- теристики и уменьшению погрешности измерения.

Рассмотренный датчик является однотактным (нереверсивным) так как имеет возможность измерять перемещение ползунка “ X” только одного знака.

Датчик, реагирующий на знак (направление) перемещение пол- зунка называется двухтактным или реверсивным (рисунок 3, рисунок 4). Для построения указанных датчиков необходимо сделать отвод от средней точки обмотки датчика.

Недостатки реостатных датчиков — наличие подвижного контакта, снижающего надежность работы и срок службы датчика, относительно большое перемещение движка и большое усилие для его перемещения, наличие ошибки от ступенчатости характеристики.

Достоинства — конструктивная простота, возможность питания переменным током, простота регулировки, отсутствие необходимости последующего усиления, если они применяются для целей измерения.

Потенциометрические датчики применяют в основном для измерения линейных и угловых перемещений. Например, с помощью таких датчиков можно установить контроль за положением задвижек, клапанов. Их можно использовать для контроля уровня, расхода, толщины изделий.

Источник