Czujniki przesunięć liniowych i kątowych

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania elektrycznych czujników przesunięć liniowych i kątowych, oraz określenie źródeł błędów przy pomiarach tych wielkości fizycznych przedstawionymi metodami.

Dodatkowym celem tego ćwiczenia jest poznanie metod kształtowania charakterystyki potencjometru.

Przygotowanie

Powtórzyć zasadę działania rezystancyjnego dzielnika napięcia. Zapoznać się z rodzajami czujników przesunięć liniowych i kątowych stosowanych w praktyce laboratoryjnej oraz w przemyśle. Na ćwiczenia należy przynieść materiały do sporządzania wykresów

Przykładowe pytania kontrolne

1.     Narysować i opisać potencjometryczne połączenie rezystora

2.     Wymienić metody pomiaru przesunięć liniowych

3.     Podać sposoby pomiaru przesunięć kątowych

4.     Opisać przyczyny występowania błędów przy pomiarze przesunięcia za pomocą potencjometru

Wprowadzenie

Pomiary przesunięć liniowych i kątowych są szczególnie ważne w automatyce. Przesunięcia występują jako wielkość pośrednia przy pomiarach wielu różnych wielkości fizycznych.

·        Czujniki analogowe - są czujnikami przesunięć mechanicznych; przypisują każdej wartości przesunięcia odpowiednią, zmieniającą się w sposób ciągły, wartość pewnej wielkości fizycznej, najczęściej napięcia stałego lub przemiennego.

·        Potencjometr- jest czujnikiem przesunięć liniowych i kątowych; jego styk ślizgowy wykonując ruch prostoliniowy , obrotowy lub śrubowy przyjmuje położenie odpowiadające przesunięciu mierzonemu. Pomiary przesunięć za pomocą potencjometrów obarczone są błędem wynikającym np. z nierównomiernego ścierania się uzwojenia.

·        Czujnik indukcyjny- zamienia obrót lub przesunięcia części ruchomej czujnika na zmianę indukcyjności czujnika. Działanie czujnika indukcyjnego jest oparte na zależności indukcyjności od oporu magnetycznego układu. Podstawowe elementy czujnika to cewka z rdzeniem i rdzeń ruchomy, od przesunięcia którego zależy opór magnetyczny układu. Działanie czujnika jest opisane następującą zależnością: 

gdzie : L- indukcyjność czujnika[H]; z- liczba zwojów; d-szczelina[cm];

                            S- powierzchnia nabiegunnika [cm2];

                            mo= przenikalność magnetyczna próżni

·        Czujnik pojemnościowy – ma postać kondensatora płaskiego lub cylindrycznego, w którym wielkość mierzona powoduje zmianę pojemności, przez zmianę odległości między okładzinami, zmianę czynnej powierzchni elektrod lub zmianę przenikalności elektrycznej ośrodka znajdującego się między okładzinami. Czujniki te mogą służyć do pomiaru przemieszczenia liniowego lub kątowego.

·        Selsyn- jest maszyną indukcyjną małej mocy; przeznaczona jest do zdalnego przekazywania sygnałów przesunięć kątowych lub do zmiany położenia kątowego wału obrotowego na odpowiadający mu sygnał elektryczny. Jest to transformator położenia kątowego, w którym w czasie obrotu wirnika następuje płynna zmiana indukcji wzajemnej pomiędzy uzwojeniami stojana i wirnika.

·        Czujnik transformatorowy

Ostatnie w/w 4 czujniki należą do odpornych i niezawodnych czujników bezstykowych.

Różnorodność przeznaczenia, stosowane zakresy, rozmaitość wymaganych dokładności i stosowanych rozwiązań technicznych powodują, że pomiary położenia (przesunięcia, odległości) należą do najciekawszych pomiarów wykonywanych w technice. Przykładami różniących się jakościowo pomiarów położenia mogą być: nieniszczący pomiar grubości powłok lakierniczych, pomiary poziomu cieczy w zbiornikach otwartych i zamkniętych, pomiar odległości walców, pomiar przesunięcia stołu wiertarki automatycznej.

Przesunięcia występują jako wielkość pośrednia przy pomiarach wielu różnych wielkości fizycznych. Jednostką przesunięcia liniowego jest metr; w powszechnym użyciu jest milimetr l mm=10-3 m. Jednostką przesunięcia kątowego jest radian (rad) (kąt środkowy odpowiadający pełnemu okręgowi ma 2π radianów).

Czujnikami położenia o sygnale wyjściowym w postaci ciśnienia są wzmacniacze pneumatyczne lub hydrauliczne. Najpowszechniej używane czujniki położenia dają na wyjściu sygnał elektryczny napięcia stałego lub przemiennego. Są to z reguły czujniki parametryczne, tzn. takie, w których przesunięcie wpływa na łatwy do zmierzenia parametr obwodu elektrycznego: rezystancję, pojemność, indukcyjność własną lub wzajemną. Obwód pomiarowy musi wtedy zawierać źródło napięcia.

Najbardziej znaną grupą czujników mechanicznych są czujniki analogowe, które przypisują każdej wartości przesunięcia odpowiednią, zmieniającą się w sposób ciągły wartość pewnej wielkości fizycznej, najczęściej napięcia stałego lub przemiennego.

Najbardziej znanym czujnikiem przesunięcia liniowego i obrotowego jest potencjometr, którego styk ślizgowy inaczej zwany szczotką, wykonując ruch prostoliniowy, obrotowy lub śrubowy, przyjmuje położenie odpowiadające przesunięciu mierzonemu.

Schemat potencjometrycznego pomiaru przesunięcia:

a) liniowego, b) kątowego

Czujniki potencjometryczne włączone w prosty układ elektryczny (rysunek) przetwarzają przesunięcia kątowe, lub liniowe w zakresie od jednego do kilku obrotów, na napięcie stałe lub przemienne. Stosowane są do pomiarów przesunięć w zakresie 1cm-0,5m, największe uzyskiwane dokładności wynoszą nie więcej niż 0.1%. Ich wadą jest wrażliwość na wilgotność, zapylenie, wyziewy agresywne, wibracje.

Potencjometry drutowe wykonywane są z cienkiego, izolowanego drutu oporowego nawiniętego na izolowanej płytce lub pręcie. Styk ślizgowy przesuwa się po ścieżce powstałej przez zdjęcie z zewnątrz izolacji. Jeżeli potencjometr nawinięty jest na karkasie o stałym przekroju to rezystancja przypadająca na jednostkę jego długości jest stała i napięcie mierzone na styku ślizgowym będzie się zmieniało proporcjonalnie do zmian położenia styku ślizgowego, wg podanej poniżej zależności.

Uwy = * Uz

Zależność ta jest słuszna przy założeniu, że pomiar napięcia wyjściowego odbywa się bez poboru prądu, przyrządem pomiarowym o nieskończenie dużej rezystancji. Jeżeli warunek ten nie jest spełniony, to zależność staje się nieliniowa, co widać na rysunku:

Zależność charakterystyki potencjometru o rezystancji R od rezystancji wejściowej Ro współpracującego przyrządu pomiarowego.

Zmiany napięcia są jednak nieciągłe, ponieważ napięcia na sąsiednich zwojach potencjometru drutowego różnią się między sobą wartość Uz /z, gdzie „z" oznacza liczbę zwojów potencjometru.

Powstanie nieciągłości w sygnale wyjściowym potencjometru:

a)        i b) dwa warianty usytuowania styku ślizgowego względem zwojów potencjometru, c) napięcie wyjściowe potencjometru Uwy

Na rysunku przedstawiono w powiększeniu dwa warianty położenia styku ślizgowego względem zwojów potencjometru oraz jego charakterystykę. Widać na niej wyraźnie „skoki” napięcia, które wynikają z przechodzenia styku ślizgowego ze zwoju na zwój oraz skoki napięcia spowodowane zwieraniem sąsiednich zwojów przez styk ślizgowy. Łatwo zauważyć, że najmniejszym przesunięciem jakie można zmierzyć potencjometrem drutowym jest równe średnicy drutu którym nawinięto potencjometr.

Często stosowane są również potencjometry, w których przebieg zależności między przesunięciem a napięciem wyjściowym jest celowo nieliniowe. Taki przebieg charakterystyki otrzymuje się nawijając potencjometr na odpowiednio wyprofilowany karkas.

Źródłem błędów pomiarów przesunięć za pomocą potencjometrów są:

§              nieliniowość charakterystyk,

§              niestabilność źródeł zasilania,

§              nierównomierne ścieranie się uzwojenia,

§              temperaturowe zmiany rezystancji potencjometru,

§              szumy i zjawiska termoelektryczne na styku rezystor-styk ślizgowy,

§              wilgotność, zapylenie, wyziewy agresywne, wibracje,

§              niedokładny odczyt z mierników analogowych (błąd paralaksy).

Omówienie rodzajów i parametrów opisujących potencjometry

Potencjometr jest rezystorem zmiennym, którego wartość można zmieniać w sposób mechaniczny. Posiada on trzy wyprowadzenia - po jednym z każdej strony elementu oporowego i trzecie podłączone jest do ślizgacza, który można przesuwać po ścieżce oporowej. Jeden zacisk potencjometru połączony jest z elementem wykonanym z materiału o określonej oporności właściwej, po którym ślizga się styk połączony z drugim zaciskiem potencjometru, przy danym położeniu styku ślizgowego oporność potencjometru równa jest oporności elektrycznej jedynie tej części materiału oporowego, jaka zawarta jest pomiędzy pierwszym zaciskiem a stykiem ślizgowym. Stosuje się potencjometry obrotowe lub suwakowe. Nazwa potencjometr powstała od jego funkcji regulowania potencjału, albo prościej - dzielnika napięcia. Wykorzystując tylko wyprowadzenie z jednej strony i ślizgacz można wykorzystać potencjometr jako regulowany rezystor (reostat). Potencjometry można produkować w różnych wykonaniach, zależnie od przyszłego zastosowania.

Potencjometr tablicowy jest przeznaczony do montażu np. na płycie czołowej. Montuje się go za pomocą nagwintowanego kołnierza i nakrętki: czasami montuje się go kątowo na płytce, a tylko oś przechodzi przez płytę czołową. Jest to potencjometr obrotowy ze ścieżką oporową w kształcie kolistym i posiada, oś która ruchem obrotowym przesuwa ślizgacz. Jeśli jest to potencjometr suwakowy, to ścieżka wykonana jest w postaci linii prostej. Do prostszych zastosowań wykorzystuje się tani węglowy materiał oporowy, ale do bardziej wymagających - cermet, przewodząc tworzywo sztuczne, albo też stosuje się potencjometry drutowe.

Potencjometr precyzyjny jest rodzajem potencjometru tablicowego, który produkuje się w dwóch podstawowych wykonaniach:, wieloobrotowy - z traktem oporowym z nawiniętego drutu, pozwalającym na bardzo dokładne ustawienie, i jednoobrotowy - z torem z plastiku przewodzącego, albo też drutowy bez mechanicznego ogranicznika w położeniach krańcowych. Ten ostatni posiada duża rozdzielczość i długi czas życia i może być wykorzystywany jako np. czujnik kąta.

Potencjometry dostrojeniowe (trymery) produkowane z węglową lub cermetową ścieżkę oporową, w wersji wieloobrotowej, w obudowie, lub bez niej. Zazwyczaj są one mniejsze niż potencjometry tablicowe, nie posiadają osi i kołnierza gwintowanego, stawia się im mniejsze wymagania mechaniczne. Trymer posiada często czas życia zaledwie 200 obrotów. Wynika to z bardzo dużego docisku ślizgacza do warstwy oporowej w miejscu styku, po to by osiągnąć wysoką stabilność. Trymery wieloobrotowe produkuje się w dwóch typach: jeden z torem prostoliniowym i długo nagwintowaną osi przesuwając ślizgacz i drugi - z torem obrotowym, gdzie ślizgacz przesuwany jest przy pomocy ślimaka.

Tłumiki potencjometryczne składają się z rezystora i tłumika połączonych w kształcie T albo TCYT. Powoduje to, że impedancja wejściowa i wyjściowa są stałe, podczas gdy stopień tłumienia zmienia się. W tłumikach bezstopniowych stosuje się potencjometry sprzężone mechanicznie na wspólnej osi. W wielu sytuacjach jest niezwykle ważne, aby dokładnie wiedzieć, jakie mamy tłumienie. Dlatego istnieją też tłumiki, które są łączone ze sobą kaskadowo i posiadają przełączniki, które pozwalają łączyć je tak, aby uzyskać zdań wartość.

Manipulator typu joystick składa się z jednego lub wielu potencjometrów, które są regulowane przy pomocy wystającego uchwytu. Stosowane są jako organ sterujący w jednym, dwóch lub trzech kierunkach (X-,Y- i Z). Potencjometry w manipulatorze są specjalnie wykonane i mają kąt obrotu tylko od 30-60°. W najtańszych typach stosuje się węglową ścieżkę oporową, a w typach o wyższej jakości - plastik przewodzący. Manipulatory często są łączone z mikroprzełącznikami: czasem wyposażone są w specjalne uchwyty.

Ścieżkę oporową w potencjometrze - jak już wspomniano - wykonuje się z różnych materiałów, aby można było wykorzystać ich zalety w danym zastosowaniu. Najtańszą i najprostszą jest ścieżka węglowa. Produkowana jest z masy węglowej, nakładanej pod ciśnieniem na podkład z tekstolitu Potencjometry węglowe wytrzymują tylko niewielkie moce. Posiadają słabą rozdzielczość i liniowość, wysokie szumy oraz krótki czas życia. Sš jednak tanie w produkcji i to powoduje, że są często stosowane w mniej krytycznych aplikacjach. Alternatywą ścieżki węglowej jest przewodząca ścieżka z tworzywa sztucznego. Jest to drobnoziarnisty proszek węglowy zmieszany z plastikiem i nakładany pod ciśnieniem na podłoże. Zaletą jest nieskończenie mata rozdzielczość i niskie szumy - zarówno, gdy ślizgacz jest nieruchomy (szum statyczny), jak i kiedy się przesuwa (szum dynamiczny). Ponieważ docisk ślizgacza do warstwy oporowej jest bardzo maty, ma on długi czas życia. Wadą przewodzącej ścieżki plastikowej jest mała wytrzymałość mocowa i mała wytrzymałość prądów ślizgacza, a także wysoka zależność od temperatury rzędu ą1000 ppm/ °C. Potencjometry ze ścieżką plastikową wykorzystywane są głównie w zastosowaniach przemysłowych, gdzie stawia się wysokie wymagania na rozdzielczość i czas życia, a także w zastosowaniach elektroakustycznych, gdzie zaletą są niskie szumy.

Ścieżka drutowa stosowana jest tam, gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość mocowa oraz dobra stabilność temperaturowa i czasowa. Potencjometry drutowe powinny być stosowane wówczas, gdy przez ślizgacz płynie duży prąd. W wieloobrotowych potencjometrach precyzyjnych czasami wykorzystuje się ścieżkę drutową, która jest pokryta warstwą przewodzącego plastiku w celu zwiększenia rozdzielczości. Inne zastosowania potencjometrów drutowych to np. regulowane rezystory szeregowe, (reostaty) do regulacji prądu w różnych typach obciążeń

Ścieżki oporowe potencjometrów wykonuje się z różnymi charakterystykami. Potencjometr liniowy ma ścieżkę oporową o stałej oporności powierzchniowej na całej długości i dlatego zmiana rezystancji jest taka sama wzdłuż całej drogi.

Wysoka obciążalność mocowa jest istotną cechą ścieżki wykonanej z cermetu. ścieżka cermetową składa się z mieszaniny motali i ceramiki nakładanej na podkład ceramiczny. ścieżka ta jest stabilna temperaturowo, daje dobrą rozdzielczość i ma niski szum statyczny. Wytrzymuje wysoki nacisk styku ślizgacza, ma bardzo dobrą stabilność w czasie i dlatego ścieżki cermetowe są popularne w potencjometrach dostrojczych i tablicowych.

Potencjometr logarytmiczny ma ścieżkę oporową podzieloną najczęściej na trzy odcinki. Każdy odcinek jest liniowy, ale ma różne rezystancje jednostkowe. Gdy ślizgacz znajduje się na początku ścieżki, wartość rezystancji jest niska, a jej zmiana - mata. Pod koniec ścieżki rezystancja jest duża i zmienia się znacznie szybciej niż na początku ścieżki. Poza tymi najbardziej popularnymi charakterystykami liniowymi i logarytmicznymi stosuje się cały szereg rożnych charakterystyk, do konkretnych zastosowań.

Moc maksymalna jest to taka moc, której wydzielenie nie powoduje jeszcze uszkodzenia potencjometru. Jest bardzo ważne, aby pamiętać, że podana moc dotyczy całej ścieżki. Jeśli wykorzystywana jest jedynie część ścieżki - jak np. w układzie rezystora regulowanego - to zmniejsza się proporcjonalnie wytrzymałość potencjometru. Prąd płynący przez ślizgacz nie może przekraczać prądu płynącego przez ścieżkę oporowa przy maksymalnej mocy. Prąd ten może być przekroczony wtedy, gdy np. mierzona jest rezystancja między jednym wyprowadzeniem potencjometru i ślizgaczem przy pomocy zwykłego multimetru i ślizgacz przesuwany jest w stronę tego wyprowadzenia.

Jako maksymalne napięcie pracy przyjmowane jest w większości przypadków napięcie wytrzymałości izolacji. Jest to najwyższe napięcie, które może być podane na potencjometr. Napięcie maksymalne na ścieżce jest ograniczone również maksymalna mocą, którą możemy obliczyć wg wzoru:

gdzie U= napięcie na całej długości ścieżki,

R = rezystancja,

P = wydzielana moc.

Napięcie próby jest to napięcie przyłożone miedzy którekolwiek z wyprowadzeń potencjometru i obudowę potencjometru. Często jest ono ograniczone w czasie.

Tolerancja rezystancji potencjometru na ogól nie ma większego znaczenia. W dzielniku napięcia najważniejsza jest proporcja miedzy rezystancjami po obu stronach ślizgacza. W układzie regulowanego rezystora tolerancja powoduje, ze uzyskuje się różne maksymalne rezystancje, ale jeśli ślizgacz znajdzie się mniej więcej po środku ścieżki, to tolerancja nie ma tu większego znaczenia.

Zakres temperatury pracy można opisać w dwojaki sposób: dynamiczny - gdzie potencjometr spełnia wszystkie dane techniczne przy przesuwaniu ślizgacza i statyczny - z nieruchomym ślizgaczem.

Wskaźnik temperaturowy opisuje zmianę rezystancji w funkcji temperatury. Podaje się w ppm/°C (milionowe części stopnia). Dzielnik napięcia jest stabilny temperaturowo, gdy rezystancja po jego obu stronach zmienia się w jednakowym stopniu.

W wielu sytuacjach, np. przy pomiarze kąta, stosuje się precyzyjne potencjometry liniowe. Ważne jest wtedy, aby charakterystyka rzeczywista była jak najbliższa teoretycznej. Nazywamy to liniowością, a największa odchyłka rezystancji wyrażana jest w procentach. Liniowość jest zależna od czynników takich jak: czystość surowca i zmiany powierzchniowe ścieżki oporowej.

Jeśli potencjometr połączony jest w układzie dzielnika napięcia, to rezystancja obciążenia będzie poleczona równolegle z pewną częścią ścieżki oporowej. Powoduje to pogorszenie liniowości. Rezystancja obciążenia, która jest dwukrotnie większa od wartości rezystancji potencjometru powoduje błąd liniowości rzędu ok. 11%. Aby móc ją pomijać w obliczeniach, rezystancja obciążenia powinna być co najmniej 100 razy większa od rezystancji potencjometru.

Elektryczny kąt obrotu jest to kąt, w którym odbywa się zmiana rezystancji. Aktywny kąt elektryczny jest o ok. 20° mniejszy. Ok. 10° na początku i końcu ścieżki wynika z mocowania wyprowadzeń.

Mechaniczny kąt obrotu jest ok. 30% większy niż elektryczny, aby móc otrzymać dobry styk na końcach ścieżki. Kiedy ślizgacz znajduje się w swoim położeniu krańcowym, to jego rezystancja nie jest równa zeru, lecz wykazuje pewną wartość - jest to rezystancja położenia krańcowego, albo rezystancja minimalna. Wynika ona między innymi z rezystancji przejęcia miedzy ślizgaczem i ścieżką, rezystancji wyprowadzeń i tolerancji mechanicznych, które mogą powodować, ze ślizgacz nie może dojść do końca ścieżki. Rezystancje położeń krańcowych wyrażane sš w procentach, lub jako wartość minimum w Ohm (np."1% lub 2 Ohm").

Rezystancja styku, która występuje miedzy ślizgaczem i ścieżką jest w znacznym stopniu zależna od prądu, szczególnie w czasie ruchu ślizgacza. Bardzo małe prądy mają trudności z przepływem przez cienką warstwę tlenków, które tworzą rodzaj diody. Rezystancja styku zmienia się bardzo w czasie przesuwania ślizgacza. Zjawisko to określane jest jako CRV (Contact Resistance Variation) i można je interpretować jako szum. Pod pojęciem ENR (Equivalent Noise Resistance) można rozumieć zmiany rezystancji ścieżki. Potencjometr drutowy ma wysoką wartość ENR, ponieważ rezystancja zmienia się skokowo za każdym razem, gdy ślizgacz przesuwa się z jednego zwoju na następny. CRV wyraża się w procentach całkowitej rezystancji, zaś ENR w Ohm.

Przetworniki potencjometryczne liniowe:

Te produkty pracują na zasadzie jak liniowo zmienny rezystor, tzn. przesuwany jest suwak po ścieżce rezystywnej. Jeśli do przetwornika podłączy się napięcie, to napięcie na wyjściu suwaka jest wprost proporcjonalne do pozycji suwaka na ścieżce rezystywnej. Ścieżka rezystywna wykonana jest najczęściej z przewodzącego tworzywa wysokiej jakości. Dzięki temu osiąga się nie tylko dużą rozdzielczość, ale też pomiary mogą się odbywać przy większej prędkości przemieszczenia (do 10m/sek.). Naturalnie na potencjometr nie powinny oddziaływać większe wstrząsy i udary, gdyż powodować to może krótkotrwałe odrywanie suwaka od ścieżki i przerwy ciągłości pomiaru. Wpływać to może też na szybsze zużycie materiału suwaka lub wręcz trwałe jego uszkodzenie, jeśli suwak będzie narażony na przemieszczanie z dużą częstotliwością na krótkiej drodze w tą i z powrotem. Oznacza to, że silnie oscylujące przemieszczenia nie powinny być mierzone przetwornikami potencjometrycznymi. Mimo to potencjometryczna metoda pomiaru jest stosowana najczęściej ze względu na jej zalety. Najważniejsza to bezwzględny sposób pomiaru, tzn. po włączeniu urządzenia pomiarowego odczytana pozycja jest pozycją absolutną. Inne to łatwość obróbki sygnału i mały pobór mocy, gdyż wystarczające jest źródło napięciowe. Kolejna to możliwy pomiar w zakresach pomiędzy 10mm a 2000mm.