Рисунок 2.1 – Примеры реализации потенциометрических датчиков:

а)потенциометрический датчик положения, б) — гравитационный датчик уровня жидкости с поплавком, в) — линейный потенциометр.  

      Потенциометрический датчик, показанный на рисунке 2.1(а), имеет следующий недостаток. Подвижный контакт, двигаясь вдоль обмотки, может перемыкать то один, то два витка переменного резистора, что приводит к неравномерности шагов выходного напряжения или переменной разрешающей способности (рисунок 2.1, б). Поэтому при использовании проволочного потенциометра из N витков можно говорить только о среднем разрешении n: 

                                                      

.                                                         (2.2) 

     Объект затрачивает усилия для перемещения ползунка потенциометра, затраченная энергия выделяется в форме тепла. Как правило, проволочные потенциометры изготавливаются из тонкого провода диаметром порядка 0.01 мм. Хороший потенциометр обеспечивает среднюю разрешающую способность около 0.1% от полной шкалы измерения, в то время как разрешение высококачественного пленочного потенциометра ограничивается только неоднородностью резистивного материала и шумовым порогом интерфейсной схемы. Потенциометры с непрерывным разрешением изготавливаются из проводящей пластмассы, углеродных пленок, металлических пленок или смеси металла и керамики, известной под названием кермет. Подвижные контакты прецизионных потенциометров изготавливаются из качественных сплавов металлов. Многооборотные угловые потенциометры измеряют перемещения в диапазоне 10°...3000°. Большинству потенциометров присущи следующие недостатки:

1. Значительная механическая нагрузка (трение).
2. Необходимость обеспечения механического контакта с объектом.
3. Низкое быстродействие.
4. Трение и напряжение возбуждения, приводящие к нагреву потенциометра.
5. Низкая устойчивость к факторам окружающей среды.

 

 

            Рисунок 2.2 - Недостатки проволочных потенциометров: А — ползунок потенциометра может перемыкать одновременно два витка, Б - неравномерность шагов напряжения.

         

      3 Автомобильные датчики положения

 

      Для измерения положения в автомобильных системах подходят самые различные технологии, значительное распространение среди которых получили потенциометрические датчики (угла и линейных перемещений), Этот тип датчиков характеризуется наличием подвижных механических контактов, перемещение которых вдоль длины переменного резистора из меняет его сопротивление пропорционально положению контактов, До недавнего времени контактные датчики положения сохраняли лидирующие позиции на автомобильном рынке, чему способствовали такие значительные достижения потенциометрической технологии, как малые размеры корпуса и низкая цена.

      В ответ на растущие требования надежности, с целью уменьшения износа и реструктуризации компонентов современные автомобильные датчики стремятся использовать бесконтактные конструкции, в которых электрическая и механическая части физически отделены друг от друга. Наиболее известными из бесконтактных технологий датчиков являются:

      твердотельные магнитоуправляемые датчики:

- датчики  Холла;

- датчики, использующие эффекты изменения магнитосопротивления (эффекта Гаусса, AMP, ГМР);

       индуктивные преобразователи, в том числе:

- дифференциальные  трансформаторные датчики LVDT/RVDT;

- индуктивные  преобразователи (LVIT/RVIT);

- индуктивные преобразователи с вихревыми токами; радиочастотные трансиверы с индуктивным аттенюатором; магнитоиндуктивные датчики (MVIT);

- емкостные трансиверы;

- магнитостриктивные датчики;

- оптические датчики. 

            Рисунок 3.1 - Примеры современных автомобильных потенциометров: а — принцип действия датчика: 1 — скользящий контакт (движок или контактная щетка); 2 — резистивная дорожка; 3 — контактная дорожка; Ф — измеряемый угол поворота; R_q — максимальное сопротивление датчика; R₁, R₂ — трассировочные резисторы; R_з — нагрузочный резистор; U_пит, U_вых— напряжение питания и выходное напряжение соответственно; I— выходной ток;б— внешний вид датчиков 9850 BEI Duncan; в — датчики положения педали PPS 1029 Wabash; г — датчики EGR серий 535/7/8/9/561 EGR CTS Corporation; д , е, ж — датчики углового положения Bosch: д — внешний вид датчиков Bosch DKG%1 0280122001 и 0280122201; е —выходная характеристика датчика DKG-1 0280122001 BOSCH; ж — конструкция датчиков Bosch: 1 — корпус датчика, 2, 3 — контактный элемент; 4 — провода движка; 5, 6 —контактные дорожки; 7 — провод движка; 8, 9 — проводящие пути; 10, 11, 12 — терминалы устройства; 13 — базовая плата (подложка); 14 —скользящий контакт; 15 — вал. 

      Каждая  из этих технологий имеет как свои преимущества, так и свои ограничения при ее использовании в том или ином автомобильном устройств.

     К движущейся части датчика, такой, как  установочная втулка датчика угла, жестко механически связанной с валом управляющего привода или активатора клапана, прикрепляется подвижный рычаг — токосъемник, одно временно осуществляющий скользящий электрический контакт на специально нанесен ном резистивном слое, как правило, с помощью контактирующих щеток (рисунок 3.1, а).

       При перемещении скользящего контакта по радиусу токопроводящего сектора  поверх резистивного слоя потенциометра его выходное сопротивление изменяется в зависимости от угла поворота детектируемого объекта. Потенциометрическое напряжение благодаря пропорциональной связи между длиной проволоки или дорожки с ее электрическим сопротивлением и в соответствии с законом Ома представляет собой линейное напряжение постоянного тока U_вых.  Чем ближе находится движок к уровню напряжения питания U_пит, тем выше выходной сигнал датчика. Стандартное подключение подвижного контакта выполняется с помощью второй контактной дорожки, состоящей из того же резистивного материала.

       Наиболее известны две технологии датчиков: проволочные потенциометры (wirewound - реохорд) и потенциометры с резистивными дорожками, выполненными способом нанесения резистивной пасты по радиусу токопроводящего сектора, контакт с которыми осуществляется при помощи подвижных контактных щеток. Потенциометрические датчики выпускаются известными фирмами Bosch, Novotechnik, CTS Corporation, Duncan, Wabash, Ruf Electronics и др.

       Обе технологии являются контактными, что  означает непосредственный механический контакт движущейся части, осуществляющей формирование электрического сигнала, и следовательно, подвержены износу. Работа контактов сопровождается акустическим, а также электромагнитным шумом, поскольку нет ни какой обрабатывающей электроники. Во избежание износа и погрешности измерений ток в зоне контакта минимизируют (I< 1 мА). Напряжение на измерительной дорожке обычно трассируется несколькими последовательными резисторами R_1, R₂ для защиты от перегрузок.

       В то же время обе они подходят для высокотемпературной работы, обеспечивают стабильный линейный выход (рисунок 3.1, е) и допускают большой диапазон угловых измерений (даже более 360° для проволочных потенциометров). 

           Заключение

 

     Входные сигналы датчиков (внешние воздействия) могут иметь практически любую физическую или химическую природу. Поток света, температура, давление, колебания, перемещение, положение, скорость, концентрация ионов — все это примеры внешних воздействий. Конструкция датчиков меняется в зависимости от их предназначения. Для особых условий применения может потребоваться разработка специальных корпусов и схем монтажа. Например, пьезорезистивный датчик для измерения кровяного давления внутри аорты монтируется в герметичном корпусе и имеет очень миниатюрные размеры для возможности прохождения через микрокатетер. Корпус того же самого датчика будет совсем другим для случая применения внутри надувной манжеты медицинского тонометра. Иногда от датчиков требуется чтобы они реагировали только на определенный диапазон входных сигналов. Например, детектор движения в охранной системе должен срабатывать только на перемещение людей и никак не реагировать на передвижение маленьких животных, таких как собаки и кошки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

      1 Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005.

      2 ю. м. келим. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики. Москва: «Высшая школа», 1991.

      3 Измерения в промышленности Справ, изд. В 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура: Пер с нем./Под ред. Профоса П. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.; Металлургия, 1990.