Sensores potenciométricos

Un sensor de potenciómetro es una resistencia variable a la que se le aplica un voltaje de alimentación, su valor de entrada es el desplazamiento lineal o angular del contacto colector de corriente, y el valor de salida es el voltaje tomado por este contacto, que cambia en magnitud a medida que su posición cambios.

Los sensores potenciométricos están diseñados para convertir desplazamientos lineales o angulares en una señal eléctrica, así como para reproducir las dependencias funcionales más simples en dispositivos automáticos y automáticos de tipo continuo.

Diagrama de conexión del sensor potenciométrico

Por resistencia, los sensores potenciométricos se dividen en

• láminas con resistencia constante;

• bobina de alambre con bobinado continuo;

• con una capa resistiva.

Se utilizaron sensores potenciométricos lamelares para realizar mediciones relativamente gruesas debido a ciertos defectos de diseño.

En tales sensores, las resistencias constantes, seleccionadas nominalmente de una manera especial, se sueldan a las laminillas.

La lámina es una estructura con elementos conductores y no conductores alternados sobre los que se desliza el contacto del colector.Cuando el colector de corriente se mueve de un elemento conductor a otro, la resistencia total de las resistencias conectadas a él cambia en una cantidad correspondiente al valor nominal de una resistencia. El cambio en la resistencia puede ocurrir en un amplio rango. El error de medición está determinado por el tamaño de las almohadillas de contacto.

Sensor de potenciómetro lamelar

Los sensores de potenciómetro de cable están diseñados para mediciones más precisas. Como regla general, sus diseños son un marco hecho de getinax, textolita o cerámica, en el que se enrolla un alambre delgado en una capa, gira en una vuelta, sobre cuya superficie limpia se desliza un colector de corriente.

El diámetro del alambre determina clase de precisión sensor de potenciómetro (el alto es 0,03-0,1 mm, el bajo es 0,1-0,4 mm). Materiales de alambre: manganina, fechral, ​​aleaciones a base de metales nobles. El anillo colector está hecho de un material más blando para evitar que el cable se roce.

Las ventajas de los sensores de potenciómetro:

• simplicidad de diseño;

• pequeño tamaño y peso;

• alto grado de linealidad de las características estáticas;

• estabilidad de las características;

• posibilidad de funcionamiento en corriente alterna y corriente continua.

Desventajas de los sensores de potenciómetro:

• la presencia de un contacto deslizante, que puede causar daños debido a la oxidación de la pista de contacto, el roce de las vueltas o la flexión de la corredera;

• error de funcionamiento por carga;

• factor de conversión relativamente pequeño;

• umbral de alta sensibilidad;

• la presencia de ruido;

• susceptibilidad a la erosión eléctrica bajo la influencia de descargas de impulso.

Característica estática de sensores potenciométricos

Característica estática de un sensor potenciométrico irreversible

Consideremos como ejemplo un sensor de potenciómetro con una bobina continua. A los terminales del potenciómetro se aplica una tensión CA o CC U. El valor de entrada es el desplazamiento X, el valor de salida es la tensión Uout. Para el modo inactivo, la característica estática del sensor es lineal porque la relación es verdadera: Uout = (U / R) r,

donde R es la resistencia de la bobina; r es la resistencia de una parte de la bobina.

Dado que r/R = x/l, donde l es la longitud total de la bobina, obtenemos Uout = (U/l) x = Kx [V/m],

donde K es el coeficiente de conversión (transmisión) del sensor.

Obviamente, dicho sensor no responderá a un cambio en el signo de la señal de entrada (el sensor es irreversible). Hay esquemas que son sensibles a los cambios en las firmas. La característica estática de dicho sensor tiene la forma que se muestra en la figura.

Circuito reversible de un sensor de potenciómetro

Característica estática de un sensor potenciométrico reversible

Las características ideales resultantes pueden diferir significativamente de las reales debido a la presencia de varios tipos de errores:

1. Zona muerta.

El voltaje de salida varía discretamente de un giro a otro, es decir, esta zona ocurre cuando, para un valor de entrada pequeño, Uout no cambia.

La magnitud del salto de voltaje está determinada por la fórmula: DU = U / W, donde W es el número de vueltas.

El umbral de sensibilidad está determinado por el diámetro del cable de la bobina: Dx = l / W.

Sensor potenciométrico para banda muerta

2. Irregularidad de las características estáticas debido a la variabilidad del diámetro del cable, la resistencia y el paso del devanado.

3. Un error de contragolpe que ocurrió entre el eje de rotación del motor y el manguito guía (se usan resortes de compresión para reducirlo).

4.Error debido a la fricción.

A bajas potencias del elemento que acciona la escobilla del sensor del potenciómetro, puede producirse una zona de estancamiento por fricción.

La presión del cepillo debe ajustarse cuidadosamente.

5. Error debido a la influencia de la carga.

Dependiendo de la naturaleza de la carga, se produce un error, tanto en modo estático como dinámico. Con una carga activa, la característica estática cambia. El valor de la tensión de salida se determinará según la expresión: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Estos. Uout = f (r) depende de Rn. Con Rn >> R se puede demostrar que Uout = (U / R) r;

cuando Rn es aproximadamente igual a R, la dependencia es no lineal y el error máximo del sensor será cuando el control deslizante se desvíe de (2/3))l. Por lo general, elija Rн / R = 10 … 100. La magnitud del error en x = (2/3) l se puede determinar mediante la expresión: E = 4/27η, donde η= Rн / R — factor de carga.

Sensor potenciométrico bajo carga

a — Circuito equivalente de un sensor potenciométrico con carga, b — Influencia de la carga en la característica estática del sensor potenciométrico.

Características dinámicas de los sensores potenciométricos

Función de transmisión

Para derivar la función de transferencia, es más conveniente tomar la corriente de carga como valor de salida; se puede determinar usando el teorema del generador equivalente. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Considere dos casos:

1. La carga es puramente activa Zn = Rn porque Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

donde K1 es la velocidad de ralentí del sensor.

Aplicando la transformada de Laplace obtenemos la función de transferencia W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

De esta manera, obtuvimos una conexión sin inercia, lo que significa que el sensor tiene todas las características de frecuencia y tiempo correspondientes a esta conexión.

Circuito equivalente

2. Carga inductiva con componente activo.

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

Aplicando la transformada de Laplace, obtenemos Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

A través de transformaciones, se puede llegar a una función de transferencia de la forma W (p) = K / (Tp + 1) — una conexión aperiódica de primer orden,

donde K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L / (Rvn + Rn);

Ruido interno del sensor del potenciómetro

Como se muestra, a medida que la escobilla se mueve de una vuelta a otra, el voltaje de salida cambia abruptamente. El error creado por el paso tiene la forma de un voltaje de diente de sierra superpuesto al voltaje de salida de la función de transferencia, es decir es ruido Si el cepillo vibra, el movimiento también genera ruido (interferencia). El espectro de frecuencia del ruido vibratorio está en el rango de frecuencia de audio.

Para eliminar las vibraciones, los pantógrafos se fabrican con varios cables de diferentes longitudes plegados entre sí. Entonces la frecuencia natural de cada hilo será diferente, esto evita la aparición de resonancias técnicas. El nivel de ruido térmico es bajo, se tienen en cuenta en sistemas especialmente sensibles.

Sensores potenciométricos funcionales

Cabe señalar que en la automatización las funciones de transferencia funcional se utilizan a menudo para obtener dependencias no lineales y se construyen de tres maneras:

• cambiar el diámetro del cable a lo largo de la bobina;

• cambio de paso de la bobina;

• el uso de un marco con una determinada configuración;

• maniobrando las secciones de potenciómetros lineales con resistencias de diferentes tamaños.

Por ejemplo, para obtener una dependencia cuadrática según el tercer método, es necesario cambiar el ancho del marco linealmente, como se muestra en la figura.

Sensor de potenciómetro funcional

Potenciómetro de múltiples vueltas

Los sensores de potenciómetro convencionales tienen un rango operativo limitado. Su valor está determinado por las dimensiones geométricas del marco y el número de vueltas de la bobina. No pueden aumentar indefinidamente. Por lo tanto, los sensores de potenciómetro de múltiples vueltas han encontrado aplicación, donde un elemento resistivo se tuerce en una línea espiral con varias vueltas, su eje debe girarse varias veces para que el motor se mueva de un extremo de la bobina al otro, es decir. el rango eléctrico de tales sensores es un múltiplo de 3600.

La principal ventaja de los potenciómetros multivueltas es su alta resolución y precisión, que se logra debido a la gran longitud del elemento resistivo con pequeñas dimensiones totales.

Fotopotenciómetros

Fotopotenciómetro: es un análogo sin contacto de un potenciómetro convencional con una capa resistiva, el contacto mecánico en él se reemplaza por uno fotoconductor, lo que, por supuesto, aumenta la confiabilidad y la vida útil. La señal del fotopotenciómetro está controlada por una sonda de luz que actúa como un control deslizante. Está formado por un dispositivo óptico especial y puede desplazarse como resultado de una acción mecánica externa a lo largo de la capa fotoconductora. En el punto donde se expone la fotocapa, se produce un exceso de fotoconductividad (en comparación con la oscuridad) y se establece un contacto eléctrico.

Los fotopotenciómetros se dividen por propósito en lineales y funcionales.

Los fotopotenciómetros funcionales permiten convertir el movimiento espacial de la fuente de luz en una señal eléctrica con una determinada forma funcional debido a la capa resistiva perfilada (hiperbólica, exponencial, logarítmica).