3-2. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

а) Схемы и характеристики датчиков

В потенциометрических датчиках линейное или угловое перемещение преобразуется в изменение напряжения. Схема простейшего потенцио-метрического датчика изображена на рис. 3-2. Переменное или постоянное напряжение подводимое к датчику, распределяется равномерно по длине потенциометра. Поэтому при нагруженном датчике потенциал щетки пропорционален 1 перемещению х:

где I — длина потенциометра; относительное перемещение щетки.

Потенциометрический датчик будем рассматривать как четырехполюсник с электрическим входом и электрическим выходом и переменными параметрами, зависящими от положения движка потенциометра.

Рис. 3-2. Схема простейшего потенциометрического датчика.

Входными величинами этого четырехполюсника являются напряжение и ток питания Выходными величинами служат напряжение и ток в цепи нагрузки.

Уравнения токов и напряжений имеют в данном случае вид (рис. 3-2):

где сопротивле ние участка 1-2 потенциометра; сопротивле ние участка того же потенциометра. Сопоставляя уравнение общими передаточными уравнениями четырехполюсника (2-86), видим, что в данном случае частные передаточные функции являются постоянными величинами (при ):

При этом как и должно быть для любого пассивного четырехполюсника.

Внутреннее сопротивление датчика со стороны выхода согласно общей формуле (2-86) равно

Это сопротивление, естественно, является активным, и его удобно обозначить через

Внутреннее сопротивление датчика можно определить и без привлечения общих соотношений четырехполюсника — непосредственно как сопротивление участка при отключенном сопротивлении нагрузки и пренебрежимо малом сопротивлении источника питания, включенного между точками 2—3.

Ток в цепи нагрузки равен отношению напряжения холостого хода к сумме внутреннего сопротивления Явых и сопротивления нагрузки, которое в общем случае будем обозначать через Таким образом, напряжение на нагрузке выражается формулой

Эту формулу можно записать так:

где

При активном сопротивлении нагрузки обозначение удобно заменить на В соответствии с этим примет вид:

Относительное отклонение от линейной характеристики, определенное как равно:

Это отклонение обращается в нуль при т. е. в крайних положениях 2 и 3 щетки (рис. 3-2). Относительное отклонение принимает максимальное значение при Это максимальное значение равно

Рис. 3-3. Характеристики нагруженного однотактного потенциометрического датчика.

Характеристики при различных значениях приведены на рис. 3-3.

В потенциометрических датчиках счетно-решающих устройств, где требуются строго линейные характеристики, сопротивление нагрузки в десятки раз превышает сопротивление потенциометра .

В потенциометрических датчикам автоматических регуляторов, где допускаются значительные отклонения от линейной зависимости, сопротивление нагрузки может во многих случаях иметь тот же порядок, что и . При этом, как ниже увидим, мощность выходного сигнала получается значительно большей чем при

Рассмотренный простейший потенциометрический датчик является однополярным (однотактным), так как знак его выходного сигнала не меняется. Между тем в системах автоматического регулирования обычно применяются двухтактные элементы, т. е. такие устройства, знак выходного сигнала которых изменяется при изменении знака сигнала на входе. Необходимость применения двухтактных элементов вытекает из самого принципа работы замкнутых систем автоматического регулирования: в этих системах при изменении знака отклонения регулируемой величины должен меняться знак сигнала управления и в соответствии с этим должно изменяться

Рис. 3-4. Схемы двухтактных потенциометрических [датчиков.

направление перемещения регулирующего органа.

На рис. 3-4 изображено несколько схем двухтактных потенциометтрических датчиков. В схеме а выходное напряжение снимается со средней точки потенциометра 4 и щетки 1. При перемещении щетки 1 меняется напряжение на выходе причем прохождение средней точки 4 (сопровождается изменением знака выходного напряжения. Бели потенциометр питается постоянным током, то положение соответствует изменению полярности выходного напряжения, если же питание производится переменным током, то при проходе точки 4 изменяется на ,160° фаза выходного сигнала.

Внутреннее сопротивление этого датчика при равномерной намотке равно:

где сопротивление потенциометра;

полная длина потенциометра (рис. 3-4, а).

Здесь принимается, что т. е. щетка находится на верхней половине потенциометра.

Таким образом, для рассматриваемого датчика при функция в формуле равна:

Из соображений симметрии ясно, что внутреннее сопротивление не зависит от знака входной величины — перемещения.

Характеристики рассматриваемого датчика, соответствующие различным значениям отношения сопротивления нагрузки к сопротивлению потенциометра, приведены на рис. 3-5. Как видно, отклонение от характеристики холостого хода здесь монотонно увеличивается при перемещении щетки от центра потенциометра. Все характеристики касаются характеристики холостого хода в начале координат.

Таким образом, производная в начале координат не зависит от величины нагрузки, иными словами, коэффициент усиления датчика при малых отклонениях щетки почти не зависит от сопротивления нагрузки. Однако при значительных отклонениях коэффициент усиления быстро уменьшается с уменьшением сопротивления нагрузки.

Определяя внутреннее сопротивление, легко найти функцию и для других потенциометрических датчиков, схемы которых приведены на (рис. 3-4).

Для мостовой схемы с одной подвижной щеткой, изображенной на рис. 3-4, б, функция равна Соответствующие

Рис. 3-5. Характеристика нагруженного двухтактного потенциометрического датчика по схеме рис. 2-4,а.

Рис. 3-6. Характеристика нагруженного двухтактного. потенциометрического датчика по схеме рис. 3-4,б.

характеристики представлены на рис. 3-6. Для мостовой Схемы (рис. 3-4, в) с двумя подвижными щетками функция имеет вид Этой широко применяемой схеме присущи характеристики, представленные на рис. 3-7.

Если в схеме рис. 3-4,в соединить средние точки потенциометров, то получим схему для которой и характеристики имеют, вид, показанный на рис. 3-8.

Сопоставление характеристик указанных схем датчиков позволяет отметить следующие свойства. Коэффициент усиления при малых отклонениях для схем а почти не зависит от напрузки, для схем б и в — уменьшается с уменьшением сопротивления напр узки. B схемах в и выходное напряжение не зависит от нагрузки при т. е. три крайних положениях движков. В схемах а и б напряжение на выходе уменьшается с уменьшением сопротивления при всех положениях движков, в том числе и при крайних положениях. Эти различия обусловлены тем, что в схемах а внутреннее сопротивление обращается в нуль при среднем положении движков, а в схемах в и г внутреннее сопротивление становится исчезающе малым (равным сопротивлению источника) при крайних положениях движков.

Рис. 3-7. Характеристика нагруженного двухтактного потенциометрического датчика по схеме рис. 3-4,е.

Рис. 3-8. Характеристики нагруженного двухтактного потенциометрического датчика по схеме рис. 3-4,г.

При данном значении отношения наименьшее отклонение от характеристики холостого хода присуще датчикам по схеме

Мощность, выделяемая в цепи нагрузки, равна Непосредственно вида характеристик датчиков следует, что в пределах малых отклонений датчики а позволяют получить большую мощность сигнала на выходе, чем датчики б и в при прочих равных условиях. Это является достоинством схем а

Если учесть еще, что датчики с двумя подвижными щетками обладают вдвое большей чувствительностью (коэффициентом усиления), то можно сделать вывод: схема схема а в наибольшей степени удовлетворяют

требованиям, предъявляемым к двухтактным датчикам с низкоомной нагрузкой.