Sensores potenciométricos

Um sensor de potenciômetro é um resistor variável ao qual uma tensão de alimentação é aplicada, seu valor de entrada é o deslocamento linear ou angular do contato coletor de corrente e o valor de saída é a tensão tomada por esse contato, que muda de magnitude conforme sua posição mudanças.

Os sensores potenciométricos são projetados para converter deslocamentos lineares ou angulares em um sinal elétrico, bem como para reproduzir as dependências funcionais mais simples em dispositivos automáticos e automáticos de tipo contínuo.

Diagrama de conexão do sensor potenciométrico

Por resistência, os sensores potenciométricos são divididos em

• lamelas com resistência constante;

• bobina de fio com enrolamento contínuo;

• com uma camada resistiva.

Sensores potenciométricos lamelares foram usados ​​para realizar medições relativamente grosseiras devido a certas falhas de projeto.

Em tais sensores, resistores constantes, selecionados nominalmente de maneira especial, são soldados às lamelas.

A lamela é uma estrutura com elementos condutores e não condutores alternados sobre os quais desliza o contato do coletor.Quando o coletor de corrente é movido de um elemento condutor para outro, a resistência total dos resistores conectados a ele muda em uma quantidade correspondente ao valor nominal de uma resistência. A mudança na resistência pode ocorrer em uma ampla faixa. O erro de medição é determinado pelo tamanho das almofadas de contato.

Sensor de potenciômetro lamelar

Sensores de potenciômetro de fio são projetados para medições mais precisas. Via de regra, seus desenhos são uma moldura feita de getinax, textolite ou cerâmica, na qual um fio fino é enrolado em uma camada, gira uma vez, em cuja superfície limpa desliza um coletor de corrente.

O diâmetro do fio determina classe de precisão sensor de potenciômetro (alto é 0,03-0,1 mm, baixo é 0,1-0,4 mm). Materiais de arame: manganina, fechral, ​​ligas à base de metais nobres. O anel deslizante é feito de um material mais macio para evitar atrito do fio.

As vantagens dos sensores de potenciômetro:

• simplicidade de projeto;

• pequeno tamanho e peso;

• alto grau de linearidade das características estáticas;

• estabilidade de características;

• possibilidade de operação em corrente alternada e corrente contínua.

Desvantagens dos sensores potenciômetros:

• a presença de um contato deslizante, que pode causar danos devido à oxidação do traço de contato, fricção de voltas ou dobramento do controle deslizante;

• erro na operação devido à carga;

• fator de conversão relativamente pequeno;

• limiar de alta sensibilidade;

• a presença de ruído;

• suscetibilidade à erosão elétrica sob a influência de descargas de impulso.

Característica estática de sensores potenciométricos

Característica estática de um sensor potenciométrico irreversível

Vamos considerar como exemplo um sensor potenciômetro com uma bobina contínua. Uma tensão AC ou DC U é aplicada aos terminais do potenciômetro.O valor de entrada é o deslocamento X, o valor de saída é a tensão Uout. Para o modo inativo, a característica estática do sensor é linear porque a relação é verdadeira: Uout = (U / R) r,

onde R é a resistência da bobina; r é a resistência de uma parte da bobina.

Dado que r / R = x / l, onde l é o comprimento total da bobina, obtemos Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

onde K é o coeficiente de conversão (transmissão) do sensor.

Obviamente, tal sensor não responderá a uma mudança no sinal do sinal de entrada (o sensor é irreversível). Existem esquemas que são sensíveis a mudanças nas assinaturas. A característica estática de tal sensor tem a forma mostrada na figura.

Circuito reversível de um sensor de potenciômetro

Característica estática de um sensor potenciométrico reversível

As características ideais resultantes podem diferir significativamente das reais devido à presença de vários tipos de erros:

1. Zona morta.

A tensão de saída varia discretamente de turno para turno, ou seja, esta zona ocorre quando, para um pequeno valor de entrada, Uout não muda.

A magnitude do salto de tensão é determinada pela fórmula: DU = U / W, onde W é o número de voltas.

O limite de sensibilidade é determinado pelo diâmetro do fio da bobina: Dx = l / W.

Sensor potenciométrico para banda morta

2. Irregularidade das características estáticas devido à variabilidade do diâmetro do fio, resistência e passo do enrolamento.

3. Erro de folga ocorrido entre o eixo de rotação do motor e a luva guia (são utilizadas molas de compressão para reduzi-la).

4.Erro devido ao atrito.

Em baixas potências do elemento que aciona a escova do sensor do potenciômetro, pode ocorrer uma zona de estagnação devido ao atrito.

A pressão da escova deve ser cuidadosamente ajustada.

5. Erro devido à influência da carga.

Dependendo da natureza da carga, ocorre um erro, tanto no modo estático quanto no dinâmico. Com uma carga ativa, a característica estática muda. O valor da tensão de saída será determinado conforme a expressão: Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Esses. Uout = f(r) depende de Rn. Com Rn >> R pode-se mostrar que Uout = (U / R) r;

quando Rn for aproximadamente igual a R, a dependência é não linear e o erro máximo do sensor será quando o slider se desviar de (2/3))l. Normalmente escolha Rí / R = 10 … 100. A magnitude do erro em x = (2/3) l pode ser determinada pela expressão: E = 4/27η, onde η= Rí / R — fator de carga.

Sensor potenciométrico sob carga

a — Circuito equivalente de um sensor potenciométrico com carga, b — Influência da carga na característica estática do sensor potenciométrico.

Características dinâmicas de sensores potenciométricos

função de transmissão

Para derivar a função de transferência, é mais conveniente tomar a corrente de carga como valor de saída; pode ser determinado usando o teorema do gerador equivalente. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Considere dois casos:

1. A carga é puramente ativa Zn = Rn porque Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

onde K1 é a velocidade de marcha lenta do sensor.

Aplicando a transformada de Laplace, obtemos a função de transferência W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

Desta forma, obtivemos uma conexão sem inércia, o que significa que o sensor possui todas as características de frequência e tempo correspondentes a esta conexão.

Circuito equivalente

2. Carga indutiva com componente ativo.

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

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

Através de transformações, pode-se chegar a uma função de transferência da forma W (p) = K / (Tp + 1) — uma conexão aperiódica de 1ª ordem,

onde K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L/(Rvn + Rn);

Ruído interno do sensor do potenciômetro

Conforme mostrado, à medida que a escova se move de uma volta para outra, a tensão de saída muda abruptamente. O erro criado pelo escalonamento está na forma de uma tensão dente de serra sobreposta à tensão de saída da função de transferência, ou seja, é ruído. Se a escova vibrar, o movimento também gera ruído (interferência). O espectro de frequência do ruído vibratório está na faixa de frequência de áudio.

Para eliminar as vibrações, os pantógrafos são feitos de vários fios de diferentes comprimentos dobrados juntos. Então a frequência natural de cada fio será diferente, isso evita o aparecimento de ressonância técnica. O nível de ruído térmico é baixo, eles são levados em consideração em sistemas particularmente sensíveis.

Sensores potenciométricos funcionais

Deve-se notar que na automação as funções de transferência funcional são frequentemente usadas para obter dependências não lineares. Elas são construídas de três maneiras:

• alterar o diâmetro do fio ao longo da bobina;

• alteração do passo da bobina;

• o uso de um quadro com uma determinada configuração;

• manobrando as seções de potenciômetros lineares com resistências de tamanhos diferentes.

Por exemplo, para obter uma dependência quadrática de acordo com o terceiro método, é necessário alterar a largura do quadro linearmente, conforme mostrado na figura.

Sensor de potenciômetro funcional

Potenciômetro multivoltas

Os sensores potenciômetros convencionais têm uma faixa operacional limitada. Seu valor é determinado pelas dimensões geométricas do quadro e pelo número de voltas da bobina. Eles não podem aumentar indefinidamente. Portanto, sensores de potenciômetro multivoltas encontraram aplicação, onde um elemento resistivo é torcido em uma linha espiral com várias voltas, seu eixo deve ser girado várias vezes para que o motor se mova de uma extremidade da bobina para a outra, ou seja, o alcance elétrico de tais sensores é um múltiplo de 3600.

A principal vantagem dos potenciômetros multivoltas é sua alta resolução e precisão, que são alcançadas devido ao grande comprimento do elemento resistivo com pequenas dimensões gerais.

Fotopotenciômetros

Fotopotenciômetro - é um análogo sem contato de um potenciômetro convencional com uma camada resistiva, o contato mecânico nele é substituído por um fotocondutor, o que, é claro, aumenta a confiabilidade e a vida útil. O sinal do fotopotenciômetro é controlado por uma sonda de luz que atua como um controle deslizante. É formado por um dispositivo óptico especial e pode ser deslocado por ação mecânica externa ao longo da camada fotocondutora. No ponto em que a fotocamada é exposta, ocorre fotocondutividade excessiva (comparada ao escuro) e um contato elétrico é feito.

Os fotopotenciômetros são divididos por propósito em lineares e funcionais.

Os fotopotenciômetros funcionais permitem que o movimento espacial da fonte de luz seja convertido em um sinal elétrico com uma dada forma funcional devido à camada resistiva perfilada (hiperbólica, exponencial, logarítmica).