Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 17 июня
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Тестирование устройств пассивных оптических сетей

В статье рассматриваются вопросы, связанные с измерением коэффициента битовых ошибок (BER) при тестировании компонентов пассивных оптических сетей (ПОС) длиной несколько километров на частоте 1,25 ГГц, связывающих трансивер абонентского узла (АУ) оптической сети с трансивером центрального узла (ЦУ) оптической линии.

Емкостные датчики приближения

Датчики приближения широко используются в промышленности — в счетных устройствах на конвейере — для определения позиции приборов или других объектов. В последние годы они стали применяться в бытовых устройствах и в автомобильной отрасли. В этой статье рассмотрены принципы работы датчиков приближения.

Термостаты от Sensata серии 1NT

В статье речь пойдет о термостатах общего применения серии 1NT компании Sensata, которые отлично зарекомендовали себя среди отечественных производителей техники, связанной с использованием и превращениями тепловой энергии.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

9 декабря

Современные потенциометрические датчики: как выбрать и эффективно использовать?

Последние достижения в технологии потенциометров позволяют эффективно использовать их во многих современных приложениях. В статье описаны характеристики потенциометров, которые следует учитывать при выборе устройства определения положения для конкретного приложения. Проведено сравнение современных потенциометров с другими технологиями — цифровыми кодерами и LVDT-датчиками.



Д

о последнего времени считалось, что потенциометры могут быть вытеснены с рынка цифровыми устройствами определения положения, такими как кодеры и преобразователи координат (резольверы). Однако успехи в технологии существенно улучшили характеристики потенциометров, что позволило в настоящее время, учитывая к тому же присущие потенциометрам преимущества, с успехом использовать их во многих приложениях, в т.ч. авиакосмических и медицинских системах.
Перед тем как будут рассмотрены преимущества и недостатки потенциометров в сравнении с новыми цифровыми технологиями, важно получить ясное представление о характеристиках, влияющих на параметры системы, которые требуется обеспечить в конкретных приложениях. Обычно рассматривают следующие характеристики потенциометров.
Механические характеристики. Потенциометры могут иметь различные корпусные исполнения и интерфейсы. Следует учитывать размеры корпуса (длину и диаметр), конфигурацию вала, крутящий момент, рабочий ход, радиальный и осевой люфт, требования к монтажу и др.
Конструкция резистивного элемента. Резистивные дорожки могут быть выполнены из слоев различных материалов, исходя из требований к монтажу, условий внешней среды и срока службы изделия. Потенциометры могут быть либо поворотными, либо линейными, установлены в корпусах или интегрированы в сборочный узел, например, в корпус электропривода.
Срок службы. Долговечность потенциометров обычно составляет 5 млн циклов. Срок службы может быть увеличен за счет использования смазочных материалов и различных благородных металлов для изготовления подвижного контакта.
Сопротивление. Сопротивление потенциометра следует выбирать, исходя из требований приложения. Разброс значений сопротивления углеродной пасты, которая наносится на подложку, составляет обычно не более 1%.
Разрешение. Разрешение определяется как минимальное изменение напряжения в ответ на соответствующее перемещение вала потенциометра. Одно из основных преимуществ потенциометров — в их практически неограниченном разрешении. В системах с замкнутой обратной связью это исключает неустойчивое положение системы, что часто приводит к джиттеру, а также обеспечивает более высокий коэффициент усиления в цепях усиления и лучшую частотную характеристику. Потенциометр — устройство, способное измерять абсолютное положение. По этой причине при включении или выключении устройства потенциометр всегда знает, в каком положении он находится, и не требует возврата в нулевое положение, как в случае других инкрементных устройств определения положения.
Линейность. Ключевой характеристикой большинства потенциометров является линейность, которая определяется как пропорциональная разница между реальным выходным напряжением и напряжением, рассчитанным по положению вала (см. рис. 1). Предельный разброс линейности зависит от длины или функционального угла, полного сопротивления и размера дорожек. Чем больше угол и размер дорожки, тем меньше сопротивление и лучше точность. Линейность может быть определена двумя способами: либо как абсолютная линейность, либо как независимая линейность.
Абсолютная линейность учитывает реальный электрический угол потенциометра. Потенциометры имеют определенную степень углового отклонения; допуска могут меняться в диапазоне 0,01—2° в зависимости от размера, угла и материала резистивного элемента.

 

Рис. 1. График линейности (максимальное отклонение идеальной характеристики от реальной)


Независимая линейность не учитывает реальное угловое отклонение потенциометра (нет функционального допуска по углу). Для расчета требуемого наклона характеристики и определения отклонения при данном положении вала для требуемого угла используется таблица.
Функциональная линейность. Линейность может быть определена либо для прямой, либо для различных функций. Наиболее распространенными функциями являются синус/косинус, логарифмическая и др. Вспомогательных схем для создания этих функций в потенциометрах, в отличие от других цифровых или магнитных технологий, не требуется.
Резистивная нагрузка. Эффект резистивной нагрузки меняет теоретический вид выходной функции потенциометра и может возникнуть в трех разных случаях:
– между подвижным контактом и концевым отводом;
– между подвижным контактом и центральным отводом (плавающим);
– между подвижным контактом и центральным отводом (заземленным).
Тип и величина нагрузки определяет ее влияние на выходную функцию.
Плавность изменения сопротивления. Плавность изменения сопротивления (см. рис. 2) представляет собой максимальное мгновенное отклонение выходного напряжения относительно входного напряжения и измеряется при перемещении подвижного контакта и наличии входного тока нагрузки. Этот параметр выражается в процентах от общего приложенного напряжения, когда потенциометр вращается с частотой 4 RPM (об./мин). Факторами, которые оказывают влияние на плавность изменения сопротивления, являются контактное сопротивление и отклонения микролинейности потенциометра.
Шум. Шум вызывается отклонениями на выходе, вызванными переходными сопротивлениями между подвижным контактом и поверхностью резистивного элемента, который отсутствует на входе.
Номинальная мощность. Номинальная мощность представляет собой максимальную мощность, которая рассеивается потенциометром в режиме делителя напряжения, а не реостата. Этот параметр обычно устанавливается для комнатной температуры, поэтому следует учитывать, что максимальная мощность уменьшается для потенциометров, работающих при повышенной температуре.
Факторы внешней среды. При снятии характеристик потенциометра весьма важно учитывать условия, при которых он эксплуатируется, а именно, повышенная и пониженная температура, влажность, вибрация и удары.

 

Рис. 2. Плавность изменения сопротивления (паразитные отклонения сопротивления)

 

Сравнение технологий

В таблице 1 [1] сравниваются технологии управления и определения положения на основе таких характеристик как разрешение, потребляемая мощность, потери мощности и внешние вспомогательные цепи поддержки. Вначале кратко остановимся на особенностях двух альтернативных технологий — кодерах и LVDT-датчиках.

 

Таблица 1. Сравнительная таблица технологий определения положения

Характеристики

Потенциометры

Кодеры

LVDT-датчики

Стоимость

низкая

умеренно высокая

умеренно высокая

Линейность

не более 0,1%

нет данных

зависит от конфигурации катушки

Функции

возможна подгонка под определенную функцию

можно управлять программно

катушку можно встроить в блок, в зависимости от числа витков

Восстановления после потери питания

простое восстановление положения; при включении уровень напряжения сохраняется

восстановление положения довольно затруднительно путем сохранения предыдущего положения или переиндексации системы

простое восстановление положения; при включении уровень напряжения сохраняется

Разрешение

неограниченное

в зависимости от размеров, вспомогательных схем и стоимости

неограниченное (определяется уровнем помех формирователя сигналов LVDT)

Энергопотребление

низкое

в зависимости от размеров, вспомогательных схем и стоимости

умеренно высокое

Потребность во вспомогательных цепях

низкая

умеренно высокая

низкая

Срок службы

более 5 млн циклов

10 млн циклов

Более 10 млн циклов


Кодеры преобразуют механическое поворотное движение в последовательность электрических импульсов, которые используются для формирования управляющих сигналов. Имеются абсолютные кодеры и инкрементные кодеры; в обоих типах кодеров вращающийся диск прерывает фотодетектор и формирует выходной сигнал.
В инкрементных кодерах вращающийся диск содержит дорожку с расположенными с равными интервалами прозрачными и непрозрачными сегментами. В инкрементных кодерах квадратурные сигналы на выходе обеспечивают данные о скорости и направлении. В стандартном режиме кодер ведет счет по переднему фронту прямоугольного сигнала. Если использовать как передний, так и задний фронт сигнала, можно удвоить разрешение. Чтобы повысить разрешение, в некоторых кодерах вместо прямоугольного сигнала используются синусоидальные сигналы, в которых возможна интерполяция. Абсолютные кодеры используют сложный метод кодирования диска, который обеспечивает более высокую точность и восстановление положения после потери питания.
Линейно регулируемые дифференциальные трансформаторы (LVDT) преобразуют линейное движение объекта, с которым они механически связаны, в соответствующий электрический сигнал. LVDT состоит из первичной обмотки, которая находится между двумя идентичными вторичными обмотками. Движущаяся часть называется сердечником; он свободно перемещается внутри LVDT и механически связан с движущимся объектом. В рабочем состоянии первичная обмотка возбуждается соответствующей амплитудой сигнала и частотой. Выходной сигнал LVDT представляет собой дифференциальное напряжение между двумя вторичными обмотками, которое меняется в зависимости от исходного положения сердечника внутри катушки LVDT. Затем это выходное напряжение преобразуется в постоянное напряжение высокого уровня или ток, с которым удобнее работать.
Потенциометры более эффективны с точки зрения стоимости, чем альтернативные технологии, особенно если высокое разрешение и линейность являются важными требованиями приложения.
Одной из важнейших характеристик, которые необходимо учитывать при выборе датчика, является то, как система восстанавливается после потери питания. В случае потенциометров система не должна возвращаться в первоначальное состояние: потенциометры обеспечивают выходное напряжение, которое соответствует его текущей позиции. В случае цифровых устройств в системе не предусмотрена возможность определения текущего положения: система должна заново проиндексироваться или вернуться в исходное положение. В большинстве приложений возврат системы в положение, отличное от текущей позиции, связано с увеличением энергопотребления и затратами времени. Кроме того, не всегда можно повторно позиционировать систему без изменения текущих критически важных параметров.
Неограниченное разрешение является еще одним преимуществом потенциометров перед другими цифровыми устройствами. Если в разрабатываемом приложении нельзя использовать ступенчатый выход, то потенциометры являются подходящей технологией. Хотя в современных цифровых устройствах разрешение существенно выросло, это улучшение сопряжено с компромиссами. Как правило, чтобы повысить разрешение, цифровые устройства имеют больший размер, более высокую потребляемую мощность и вспомогательные схемы, но не могут достичь неограниченного разрешения потенциометров.
Потенциометры рассеивают очень мало мощности, занимают мало места и имеют весьма малый вес. В приложениях, где требуется множество таких устройств, это преимущество вырастает многократно.
Потенциометры можно разместить в корпусе, который соответствует всем требованиям конструкции без ущерба таким параметрам как разрешение или линейность. Хотя конструкцию кодеров и LVDT-датчиков можно создать в соответствии с требованиями к системе, это увеличивает их стоимость.
Любые устройства — потенциометры либо другие устройства, предназначенные для эксплуатации в загрязненной среде или при высокой влажности, должны быть герметичными, чтобы микроскопические частицы в них не попали. Попавшая в потенциометр небольшая частица может вызвать провал в активной области характеристики, но в большинстве случаев в системе допускается единичный сбой, и она продолжает эффективно функционировать. Для оптических устройств загрязненность частицами может вызвать ложное считывание при определении положения.
Ухудшение характеристик при крайних значениях температур сказывается на характеристиках потенциометров в большей степени, чем на характеристиках цифровых устройств. Однако в большинстве случаев ухудшение характеристик происходит далеко за пределами температурных требований к системе.
Многие современные системы определения положения требуют избыточности, или резервирования, когда одна секция используется для управления положением, а другая — для обратной связи. По сравнению с кодерами, потенциометры упрощают эту задачу. Сравнение напряжения на выходе потенциометров требует минимальных вспомогательных цепей, а избыточность в потенциометрах реализуется либо с помощью большого числа секций, либо большого числа дорожек одной секции. Это требование особенно важно в тех приложениях, где стоимость, доступное пространство и энергопотребление являются критически важными параметрами.
Хотя бесконтактные цифровые устройства превосходят потенциометры по долговечности, современные потенциометры имеют срок службы, который превышает 5 млн циклов, что намного выше требований большинства приложений.
Последние достижения в производстве потенциометров, в т.ч. полностью автоматическая лазерная подгонка сопротивлений, позволили существенно улучшить их линейность и стабильность в широком диапазоне рабочих температур. Введение новых технологических процессов обеспечит увеличение выхода годных, повысит долговечность и снизит уровень помех этих устройств.

Литература

1. Brian Rosengrant, Bill Kostik. Potentiometers: A Proven Position Sensing Solution that Every Engineer Needs to Consider in Modern Designs//www.sensorsmag.com.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Сергей Александров, технический консультант, ИД «Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты