1 Анализ объекта измерений
1.1 Область применения потенциометров
Потенциометры применяются в электронных устройствах, требующих точной настройки сопротивления, радарах, коммуникационных устройствах, бытовой электронике, радио и теле оборудовании, искусственных дыхательных аппаратах, в качестве датчиков положения в автомобильных системах и т.д.
Для измерения положения в автомобильных системах подходят самые различные технологии, среди которых значительное распространение получили потенциометрические датчики угла и линейных перемещений. Этот тип датчиков характеризуется наличием подвижных механических контактов, перемещение которых вдоль длины переменного резистора изменяет его сопротивление пропорционально положению контактов, что индицируется на выходе датчика также пропорциональным аналоговым сигналом постоянного напряжения.
Контактные датчики положения наравне с бесконтактными устройствами сохраняют лидирующие позиции на автомобильном рынке, чему способствуют такие значительные достижения потенциометрической технологии, как малые размеры корпуса и низкая цена, хотя сегодня потенциометры значительно потеснены магнитными угловыми энкодерами Холла, и будущее автомобильной сенсорики связывается именно с активными датчиками положения и скорости.
1.2 Принцип действия и назначение
Потенциометр предназначен для плавного или скачкообразного изменения электрического напряжения и определяется как регулируемый делитель напряжения, постоянный из активных сопротивлений.
Всякой системе проводников электрического тока присущи паразитные ёмкости и индуктивности, поэтому сопротивление потенциометра, строго говоря, является комплексным, а коэффициент передачи по напряжению зависит от частоты, определяемой конструкцией потенциометра и характеристикам материалов, из которых он изготовляется. Но реактивная компонента сопротивления потенциометра становится сравнимой с активной компонентой только в области высоких частот.
Конструктивно простейший потенциометр представляет собой электрический проводник с достаточно большим омическим сопротивлением, по которому скользит подвижный контакт, включающий в электрическую цепь любую часть заданного напряжения.
Схема включения потенциометра показана на рисунке 1. Напряжение Uо подводится к точкам А и В потенциометра, а выходное напряжение Uвых снимается с одной из этих точек и скользящего контакта (точка С).
Рисунок 1 – Электрическая схема потенциометра
Для ненагруженного потенциометра
где Rx – сопротивление участка потенциометра между точками А и С (текущее сопротивление);
Rо – общее сопротивление потенциометра между точками А и В.
Так как величина Rx зависит от положения движка C относительно точек А и В, то Uвых является функцией этого положения.
Если при перемещении движка сопротивление потенциометра изменяется по линейному закону, то между сопротивлением Rx и величиной перемещения lx существует прямая пропорциональная зависимость
где lx – длина участка потенциометра между точками А и С;
lо – полная рабочая длина потенциометра.
При этом выходное напряжение прямо пропорционально перемещению движка
Если сопротивление потенциометра изменяется по более сложному закону
где f – некоторая функция, то выходное напряжение
Следовательно, с помощью потенциометра, сопротивление которого распределено по некоторому закону, можно не только преобразовать механическую величину в электрическую, но и реализовать требуемую функциональную связь между этими величинами.
С развитием приборостроения, автоматики и вычислительной техники расширилось применение электрических систем во всех областях науки и техники. Так, например, на современном самолете электрические приборы служат для измерения таких неэлектрических величин, как температура, давление, уровень жидкости, скорость вращения вала, положение самолета в пространстве и др. А ещё до недавнего времени давление измерялось манометрами, связанными с контролируемыми объектами при помощи трубопроводов. В бензиномерах и масломерах, принцип действия которых основывался на изменении уровня жидкости, перемещение поплавка указателя передавалось механически. Тахометры были, как правило, центробежными и присоединялись к двигателю с помощью гибкого валика. Указатели положения шасси, закрылков, заслонок радиотоваров также имели механически соединения. Гироскопические пилотажно-навигационные приборы требовали питания сжатым воздухом, т. е. тоже нуждались в трубопроводах. Монтаж всех этих соединений был весьма сложен, а эксплуатация ненадёжна.
Несравненно совершеннее электрические дистанционные передачи, которые отличаются большой точностью и надёжностью и поэтому заняли основное место в схемах и конструкциях неэлектрических по принципу действия, но электрифицированных приборов. Это – потенциометрические, сельсинные, магнесинные и другие электрические дистанционные передачи. Наиболее широкое применение в электрических вычислительных устройствах нашли потенциометрические элементы. С их помощью можно выполнить практически все операции, которые должны быть проделаны вычислительным устройством, а также осуществить большинство следящих дистанционных передач.
Специалисты считают, что благодаря высокой точности, надёжности и компактности потенциометры получат ещё большее применение в автоматических системах, вытеснив в ряде случаев емкостные и другие типы датчиков.
В измерительных и мостовых схемах потенциометры используются в качестве реостатов для преобразования угловых или линейных перемещений в соответствующие им изменениям электрического напряжения. В схемах автоматики и в вычислительной технике они служат в качестве делителей линейных и угловых перемещений, преобразуя последние в электрические напряжения или сопротивления соответствующей величины.