3.1.2 Изчисляване на потенциометричния датчик.
Първоначалните данни за изчисляване на линеен потенциометричен сензор обикновено са следните параметри:
- стойността на работното движение (линейно (mm) или ъглово (deg)),
- изисквана точност (допустима грешка (%)),
- съпротивление на товара, свързан към изхода на потенциометъра (Ohm).
- допустима разсейвана мощност (W),
- максимален изходен сигнал или захранващо напрежение (волта).
На първия етап от изчислението е необходимо да се оцени допустимата стойност на съпротивлението на намотката на потенциометъра.
Съпротивлението на намотката на потенциометъра се определя по формулата
къдетоρе съпротивлението на материала на намотката (Ohm * m),
lСР– средна дължина на един виток намотка (m),
w– брой навивки на намотката,
q- площ на напречното сечение на намотаващия проводник за метал (с изключение на дебелината на изолацията) (m 2).
За кръгла рамка с диаметърdK
(16)
За правоъгълна рамка (фиг. 34)
, (17)
къдетоdKе диаметърът на кръглата рамка,
a,bиr– размери на правоъгълното сечение на рамката.
dОТ– диаметър на намотъчния проводник с изолация.
Напречно сечение на рамката на потенциометъра.
Първата стъпка при изчисляването на потенциометричен сензор е да се оцени възможната стойност на съпротивлението на намотката на потенциометъра.
От една страна, съпротивлението на намотката на потенциометъра влияе върху грешката на статичната характеристика (за потенциометър с един край
От друга страна, стойността на съпротивлението на намоткатапотенциометър и захранващото напрежение зависи от мощността, разсейвана в намотката на потенциометъра.
Разделяйки условно допустимата грешка поравно между влиянието на съпротивлението на натоварване и грешката на стъпката, получаваме две отношения:
Ако тези неравенства са съвместими, стойността на съпротивлението на намотката на потенциометъра се избира в рамките на получените граници.
Ако неравенствата са непоследователни, ще е необходимо или да се промени техническото задание за проектиране на потенциометричен сензор (например, за да се увеличи съпротивлението на натоварване), или да се приложат допълнителни схемни решения, които позволяват да бъдат изпълнени и двете ограничения.
Най-рационалното техническо решение във втория случай може да се счита за свързване на потенциометричен сензор към товара чрез съгласуващ усилвател. Съвпадащият усилвател изисква голям входен импеданс и нисък изходен импеданс, което може значително да намали грешката от влиянието на товара. При голям входен импеданс на съгласуващия усилвател делът на грешката от влиянието на товара може значително да се намали или да се увеличи допустимата стойност на съпротивлението на потенциометъра, за да се намали разсейваната в него мощност.
Понастоящем широко се използват съвпадащи усилватели, базирани на операционни усилватели, които имат достатъчно голям входен импеданс и позволяват висока точност на предаване на сигнала поради обратна връзка по напрежение. Организацията на схеми, използващи операционни усилватели, се разглежда подробно в курса по електроника.
Познавайки допустимата грешка на стъпката, можете да определите минималния брой завъртания на намотката на потенциометъра
Въз основа на получения брой навивки и стойността на съпротивлението на потенциометъра намирамесъпротивлението на един оборот на намотката.
Диаметърът на намотаващия проводник (с изолация) може да се намери, като се знае максималното изместване и броя на намотките. За потенциометричните сензори за ъглово изместване първо трябва да изберете радиуса на дъгата на рамката, като вземете предвид изискванията за общите размери на сензора или наличното пространство в конструкцията на устройството, за което се разработва сензорът.
Избирайки материала на намотката и съответно нейното специфично съпротивлениеρ, намираме дължината на един оборот на намотката. Съгласно формули (16), (17), в зависимост от избрания профил на рамката, намираме нейните геометрични параметри (за рамка с правоъгълен профил, един от параметрите - дебелината или ширината на рамката трябва да бъде избран от съображения за проектиране).
Получената геометрия на рамката се оценява по отношение на нейната технологичност и сложността на намотката. Ако е необходимо, геометричните параметри на рамката се коригират, като се проверява изпълнението на изискванията за стойността на съпротивлението и броя на намотките. Конструкцията на рамката включва необходимите конструктивни елементи за закрепване на началото и края на намотката, свързване на електрически вериги към намотката на потенциометъра и фиксиране на рамката в конструкцията на потенциометричния сензор
Разработването на дизайна на четката на потенциометричния сензор трябва да се третира особено отговорно, т.к. четката е тази, която определя надеждността и издръжливостта на сензора. Изискванията към конструкцията на четката са противоречиви - за да се намали контактното съпротивление на контакта на четката с намотката на потенциометъра и да се увеличи надеждността на контакта, е необходимо да се увеличи силата на натиск на четката, но увеличаването на тази сила води до увеличаване на силата на триене между четката и намотката и ускорено механично износване, коетонамалява надеждността и експлоатационния живот на сензора.
Изборът на силата на контактното натискане зависи основно от материала на намотката и контактната четка. При критичните потенциометрични сензори с намотки и четки от благородни метали, които осигуряват добър контакт помежду си, е достатъчна сила на контактно натискане от 0,01 - 0,05 N. При по-малко важни потенциометри силата на контактно натискане може да бъде значително по-голяма, което води до намаляване на експлоатационния живот.
За да се осигури избраната стойност на силата на контактно натискане, в конструкцията на четковия възел се въвежда пружина. Най-често срещаните пружини са под формата на права еластична греда с правоъгълно или кръгло напречно сечение, единият край на която е захванат, а другият е в контакт с намотката на потенциометъра. Количеството сила, генерирана от тази пружина
където C е твърдостта на пружината (N/m), x е деформацията на пружината в сглобения сензор. Рационално е да изберете пружини с ниска твърдост и голяма деформация (единици милиметри). В този случай големината на силата на контактния натиск ще бъде по-малко зависима от грешката при производството на части, точността на сглобяване и износването по време на работа.
Твърдостта на права греда с прищипан край по отношение на силата, приложена към свободния край, се определя от формулата, известна от курса за якост на материалите (или съответния справочник)
къдетоEе модулът на еластичност на материала на гредата (N/m 2 ),
J- инерционен момент на сечението на гредата (m4),
l– дължина на лъча (m).
За правоъгълно (bxh) сечение на греда
за кръгло сечение (диаметърd)
Четките на потенциометричните сензори често се изработват от специална тел. Когато проектирате сензорни четки, фокусът трябва да бъдеобърнете внимание на надеждността на контакта между четката и намотката на потенциометъра.
Основните причини за повреда на контакта са окисляване или замърсяване на контактните повърхности и деформация на четката под действието на инерционни сили по време на ускорения, удари и вибрации.
Мярка за борба с нарушението на контакта е правилният избор на материали за контактната двойка, големината на силата на контактно натискане, формата и размера на четките, както и честотата на техните естествени трептения. Честотата на естествените трептения на четката трябва да надвишава честотата на вибрациите поне два пъти.
Както беше отбелязано по-горе, за да се спестят скъпи материали, необходими за контакт с четката, структурата на четката може да бъде направена от композит. Примери за дизайн на четковия възел на потенциометричните сензори са показани на фиг.35. Четката, показана на фиг. 35a има три проводника за подобряване на надеждността на контакта. Проводниците могат да имат различна дължина и съответно различни естествени честоти.
Четката, показана на фиг. 35b, има сплескана зона близо до вграждането. Четката, показана на rsi.35v, е прикрепена към пружинна плоча с усилвател.
Следващата стъпка в подобряването на надеждността на потенциометричните сензори е използването на принципа на резервиране. Това се постига най-просто чрез инсталиране на втора група четки, както е показано на фиг. 35гр. Под действието на ускорения в посока, перпендикулярна на контактната повърхност, само една група четки може да наруши контакта. /8/