Белорусский Национальный Технический Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра "Информационно-измерительная техника и технологии"

Курсовая работа

по дисциплине "Физические основы измерений"

Использование потенциометрического эффекта

для измерения физических величин

Исполнитель:

студент группы 313028

Ли В. В.

Руководитель:

Доцент

Свистун А. И.

Минск 2010

Содержание

Введение

1. Описание потенциометрического эффекта

2. Измерение физических величин на основе потенциометрического эффекта

Заключение

Список использованных источников

Введение

В настоящее время широко применяются различные измерительные преобразователи. В любом каталоге электронных компонентов они представлены достаточно полно, причем каждый тип преобразователя имеет несколько вариантов исполнения.

Измерительный преобразователь является прибором, который преобразует изменение одной величины в изменение другой. В терминах электроники измерительный преобразователь определяется обычно как прибор, преобразующий неэлектрическую физическую величину (называемую измеряемой физической величиной) в электрический сигнал, или наоборот. Имеются, конечно, и исключения из этого правила.

Отсюда следует, что измерительные преобразователи используются в электронных системах, т.е. в технических устройствах с электрическим сигналом, отображающим результат измерений или наблюдений. С другой стороны, измерительный преобразователь может быть использован на выходе системы, чтобы, скажем, генерировать механическое движение в зависимости от электрического управляющего сигнала. Примером реализации преобразователей является справочная система, в которой микрофон (входной преобразователь) превращает звук (измеряемую физическую величину) в электрический сигнал. Последний усиливается, а затем поступает на громкоговоритель (выходной преобразователь), воспроизводящий звук существенно более громкий, нежели тот, который воспринимается микрофоном.

Довольно часто измеряемая величина согласно ее определению просто измеряется электронной системой, а полученный результат только отображается или запоминается. Однако в некоторых случаях измерения образуют входной сигнал управляющей схемы, которая служит либо для регулирования измеряемой величины относительно некоторого заранее установленного уровня, либо для управления переменной величиной в соответствии с измеряемой. Несмотря на очевидное частичное дублирование измерительных преобразователей в этих двух примерах, принято различать эти области использования преобразователей, называя их соответственно контрольно-измерительное оборудование и управляющее.

В свою очередь, эти две области подразделяются на телеметрическое контрольно-измерительное оборудование (в котором измерительные системы используются совместно с радио линиями связи между преобразователем и устройствами отображения информации), химический анализ (при котором система используется для того, чтобы определить и отобразить относительное содержание составляющих смесь веществ), процесс управления (в котором производственный процесс, например прокат стали, контролируется и управляется) и т.д.

1. Описание потенциометрического эффекта

Потенциометрический эффект нашёл широкое применение в технике, на его основе работают потенциометрические датчики, преобразователи и др. Весьма большим классом измерительных преобразователей являются резистивные преобразователи, принцип действия которых основан на преобразовании значения измеряемой величины в изменение сопротивления. Последнее может быть вызвано различными эффектами в преобразующем элементе, например нагреванием или охлаждением, механическим напряжением, воздействием светового потока (как в фотопроводящих преобразователях), увлажнением, осушением, механическим перемещением контактной щетки реостата. Если через резистивный материал во время изменения измеряемой величины протекает фиксированный ток, то результатом будет изменение напряжения вдоль материала, которое отражает изменение измеряемой величины. Одним из вариантов резистивного преобразователя является потенциометрический преобразователь [1], в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение отношения напряжений вследствие изменения положения контактной щетки на резистивном материале, запитываемом от внешнего источника (рисунок 1.1). Определенный механический элемент преобразует изменение измеряемой величины в перемещение щетки. Потенциометр, изображенный на рисунке 1.1, можно представить в виде эквивалентной электрической схемы, как это сделано на рисунке 1.2 Его выходное напряжение определяется выражением

, (1.1)

где V₁ - напряжение на входе.

Рисунок 1.1 - Резистивное преобразование, при котором используется потенциометрическое устройство, вызывающее изменение выходного напряжения

Рисунок 1.2 - Эквивалентная схема потенциометрического устройства

Когда прикладываемое на вход прибора напряжение является постоянным и измеряемое значение определяется положением щетки потенциометра, тогда выходное напряжение есть непосредственно функция измеряемой величины.

В преобразователях могут использоваться потенциометрические устройства (с одним или несколькими сопротивлениями в схеме) либо они сами являются потенциометром. В последнем случае потенциометрический элемент будет переменным. Некоторые преобразователи имеют непроволочные сопротивления, такие, как металлокерамическая подложка или проводящая пластиковая пленка. Встречаются потенциометры, в которых полный диапазон изменений положения щетки равен 270°, в то время как другие конструкции имеют диапазон в 10 или даже 20 полных оборотов (3600 или 7200°).

2. Измерение физических величин на основе потенциометрического эффекта

Для измерения положения в автомобильных системах подходят самые различные технологии, среди которых значительное распространение получили потенциометрические датчика угла и линейных перемещений [2, 3]. 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 [2,3,4,5].

Потенциометры представляют собой устройства, назначение которых состоит в изменении разности потенциалов на концах участка цепи. Простейшей физической моделью может служить проволочный реостат с подвижным контактом, включенный в электрическую цепь. Для использования различных типов резистивных устройств в качестве датчика необходимо учитывать разницу между реостатом, который представляет собой резистор с переменным сопротивлением, и потенциометром, который выполняет функции делителя напряжения (этот принцип поясняется рисунком 2.1).

Рисунок 2.1 - Физическая модель потенциометрического датчика: - измеряемый угол поворота; R - переменное сопротивление датчика; V_in, V_out - напряжение питания и выходное напряжение, соответственно; I_out - выходной ток

Если подвижный контакт связать с детектируемым объектом и подать напряжение питания на крайние терминалы, потенциометр может быть использован, во-первых, как датчик линейных или угловых перемещений , а во-вторых, как датчик абсолютного положения - то есть любых механических параметров движения, определяемых по изменению или абсолютному значению разности потенциалов.

Существует очень много физических конструкций, помимо показанных на рисунках 2.2, 2.3, 2.4, 2.6, которые позволяют изменять сопротивление потенциометра: проволочные нити, ремни и шкивы, зубчатые стойки и шестерни, проводящая резьба, кабельные барабаны, кулачки, конические или наклонные зубчатые колеса, обычные или червячные зубчатые передачи и т.д. Но во всех общим является то, что сенсорный контактный резистивный элемент представляет собой потенциометр либо реохорд.

Поскольку фиксированный элемент датчика - резистивного типа, и изменение разности потенциалов достигается за счет изменения его сопротивления, потенциометры относятся к резистивным датчикам. (Магниторезистивные и индуктивные датчики переменного импеданса, к примеру, - это также варианты резистивных датчиков, но бесконтактного типа, активируемые переменным магнитным полем).

Среди промышленно выпускаемых устройств выделяются три основные технологии контактных резистивных датчиков:

проволочные резистивные устройства, обычно представляющие собой проволочный реохорд или, например, в спиралевидной конфигурации, допускающие измерение углов даже более 360 или линейные измерения (рисунок 2.2);

потенциометры с толстопленочными резистивными дорожками, выполненными способом нанесения на поверхность печатной платы резистивной пасты (графитовой или углеродно-волоконной, сажи) - по радиусу или вдоль длины токопроводящего сектора, контакт с которым осуществляется посредством контактных щеток (рисунки 2.3, 2.4);

гибридные потенциометры, в которых проводящая резистивная паста наносится поверх проволочного спирального потенциометра (рисунок 2.7).

Рисунок 2.2 - Многооборотный проволочный потенциометр: вращающийся вал - цель; 2 - контактный элемент движка; 3 - многооборотная спиральная катушка сопротивления; 4 - движок; 5 - крепление движка к валу 1; 6 - стационарная втулка-основание; 7 - резьбовой наконечник вала для осевого перемещения вала в резьбовом отверстии втулки 6; 8 - 10 - терминалы устройства; - измеряемый угол поворота; l - линейный осевой ход вала

Рисунок 2.3 - Конструкция линейного датчика: 1 - вращающийся вал - цель; 2 - контактная щетка; 3 - элемент механического крепления щеток; 4 - резистивный слой; 5 - печатная плата; 6 - корпус устройства; 7 - 9 - терминалы устройства

Рисунок 2.4 - Конструкция углового датчика (в диапазоне 180): 1 - вращающийся вал - цель; 2 - контактная щетка; 3, 4 - элементы механического крепления щеток; 5 - резистивный слой; 6 - печатная плата; 7 - 9 - терминалы устройства

Проволочные потенциометры могут быть разнообразны по форме, которая зависит от количества витков, способны, как явствует из рисунка 2.2, детектировать и линейные, и нелинейные перемещения, но для многообразных угловых (или, в модели реохорда, линейных) измерений предполагают высокий профиль и значительные габаритные размеры.

Рисунок 2.5 - Схемотехника (принцип действия) углового толстопленочного потенциометрического датчика (в диапазоне до 360): 1 - скользящий контакт (движок или контактная щетка); 2 - резистивная дорожка; 3 - контактная дорожка; - измеряемый угол поворота; R₀ - максимальное сопротивление датчика; R₁, R₂ - трассировочные резисторы; R₃ - нагрузочный резистор; V_in, V_out - напряжение питания и выходное напряжение, соответственно; I_out - выходной ток

Рисунок 2.6 - Нормализованная выходная передаточная характеристика аналогового углового потенциометрического датчика положения дроссельной заслонки: - механический угол поворота; Vout - выходное напряжение; V_0Q - среднеквадратическое напряжение; max - максимальный механический диапазон угла вращения; _eff - эффективный электрический угол (полный диапазон); _lin - линейный участок кривой (рабочая зона); 1 - идеальная выходная характеристика; 2 - неидеальная выходная характеристика; 3, 4 - границы допусков линейности

Рисунок 2.7 - Конструкция гибридного потенциометра: 1 - вращающийся вал - цель; 2 - контактная щетка; 3 - элемент механического крепления щеток; 4 - резистивный слой, контактирующий с проводящей резиной 6 и спиральной проволочной катушкой сопротивления 8; 5 - измерительная дорожка, отделяемая от проводящей резины слоем изоляционного материала 7; 9 - оправка катушки; 10 - 12 - терминалы устройства

Прежде чем детально анализировать особенности, достоинства и недостатки технологии толстопленочных потенциометров (рисунки 2.3, 2.4, 2.5, 2.6), которые сегодня чрезвычайно широко распространены в автоэлектронике, необходимо отметить, что возможно и объединение обеих технологий с так называемыми hybrid coil - гибридными резисторными катушками-спиралями, допускающими многооборотные изменения. Гибридный резистивный элемент представляет собой резистор wirewound, поверх которого нанесена проводящая пластмассовая или резиновая паста, что делается для достижения бесконечного (в теории) разрешения (рисунок 2.7) и максимальной функциональной точности. Хотя концептуальный эскиз автора на рисунке 2.2 также иллюстрирует возможность получения бесконечного разрешения с резистором wirewound-типа, на практике большинство конструкций wirewound-резисторов позволяют получить только скачкообразное дискретное разрешение, если датчик линейных перемещений используется как реостат в схеме делителя напряжения. На рисунке 2.7 показано, как скачкообразность разрешения устраняется в гибридной катушке сопротивления. Линейные перемещения могут быть эквивалентны многооборотному угловому движению, как показано на рисунке 2.2, для которого линейное перемещение движка выполняется в осевом направлении. Кроме того, гибридные катушки позволяют повысить срок службы потенциометров, который для резисторов wirewound-типа сейчас достигает 2 млн циклов, и занять промежуточное положение по этому параметру между wirewound-резисторами и толстопленочными потенциометрами (для которых срок службы может быть свыше 8 млн циклов). Потребляемая мощность - порядка нескольких Вт, сравнимая с wirewound-резисторами, температурная стабильность - также превосходная, как у wirewound-потенциометров.