Capteurs potentiométriques

Un capteur potentiomètre est une résistance variable à laquelle une tension d'alimentation est appliquée, sa valeur d'entrée est le déplacement linéaire ou angulaire du contact de collecte de courant, et la valeur de sortie est la tension prise par ce contact, qui change d'amplitude en fonction de sa position changements.

Les capteurs potentiométriques sont conçus pour convertir des déplacements linéaires ou angulaires en un signal électrique, ainsi que pour reproduire les dépendances fonctionnelles les plus simples dans les dispositifs automatiques et automatiques de type continu.

Schéma de raccordement du capteur potentiométrique

Par résistance, les capteurs potentiométriques sont divisés en

• lamelles à résistance constante;

• bobine de fil avec enroulement continu ;

• avec une couche résistive.

Des capteurs potentiométriques lamellaires ont été utilisés pour effectuer des mesures relativement grossières en raison de certains défauts de conception.

Dans de tels capteurs, des résistances constantes, sélectionnées nominalement d'une manière spéciale, sont soudées aux lamelles.

La lamelle est une structure avec une alternance d'éléments conducteurs et non conducteurs sur laquelle coulisse le contact collecteur.Lorsque le collecteur de courant est déplacé d'un élément conducteur à un autre, la résistance totale des résistances qui lui sont connectées change d'une quantité correspondant à la valeur nominale d'une résistance. Le changement de résistance peut se produire sur une large plage. L'erreur de mesure est déterminée par la taille des plots de contact.

Capteur potentiomètre lamellaire

Les capteurs à potentiomètre filaire sont conçus pour des mesures plus précises. En règle générale, leurs conceptions sont un cadre en getinax, textolite ou céramique, sur lequel un fil fin est enroulé en une couche, tourne en un tour, sur la surface nettoyée duquel glisse un collecteur de courant.

Le diamètre du fil détermine classe de précision capteur de potentiomètre (le haut est de 0,03 à 0,1 mm, le bas est de 0,1 à 0,4 mm). Matériaux de fil : manganine, fechral, ​​alliages à base de métaux nobles. La bague collectrice est faite d'un matériau plus doux pour empêcher le fil de frotter.

Les avantages des capteurs potentiomètres :

• simplicité de conception;

• petite taille et poids;

• degré élevé de linéarité des caractéristiques statiques ;

• stabilité des caractéristiques;

• possibilité de fonctionnement sur courant alternatif et courant continu.

Inconvénients des capteurs potentiomètres :

• la présence d'un contact glissant, qui peut provoquer des dommages dus à l'oxydation de la piste de contact, au frottement des spires ou à la flexion du coulisseau ;

• erreur de fonctionnement due à la charge ;

• facteur de conversion relativement faible ;

• seuil de sensibilité élevé ;

• la présence de bruit;

• susceptibilité à l'érosion électrique sous l'influence de décharges impulsionnelles.

Caractéristique statique des capteurs potentiométriques

Caractéristique statique d'un capteur potentiométrique irréversible

Considérons à titre d'exemple un capteur potentiomètre à bobine continue. Une tension alternative ou continue U est appliquée aux bornes du potentiomètre, la valeur d'entrée est le déplacement X, la valeur de sortie est la tension Uout. Pour le mode veille, la caractéristique statique du capteur est linéaire car la relation est vraie : Uout = (U / R) r,

où R est la résistance de la bobine ; r est la résistance d'une partie de la bobine.

Sachant que r / R = x / l, où l est la longueur totale de la bobine, on obtient Uout = (U / l) x = Kx [V / m],

où K est le coefficient de conversion (transmission) du capteur.

Bien entendu, un tel capteur ne répondra pas à un changement de signe du signal d'entrée (le capteur est irréversible). Certains schémas sont sensibles aux changements de signatures. La caractéristique statique d'un tel capteur a la forme représentée sur la figure.

Circuit réversible d'un capteur potentiomètre

Caractéristique statique d'un capteur potentiométrique réversible

Les caractéristiques idéales qui en résultent peuvent différer considérablement des caractéristiques réelles en raison de la présence de différents types d'erreurs :

1. Zone morte.

La tension de sortie varie discrètement d'une spire à l'autre, c'est-à-dire cette zone apparaît lorsque, pour une petite valeur d'entrée, Uout ne change pas.

L'amplitude du saut de tension est déterminée par la formule : DU = U / W, où W est le nombre de tours.

Le seuil de sensibilité est déterminé par le diamètre du fil de la bobine : Dx = l / W.

Capteur potentiométrique pour bande morte

2. Irrégularité des caractéristiques statiques due à la variabilité du diamètre du fil, de la résistance et du pas d'enroulement.

3. Une erreur de jeu qui s'est produite entre l'axe de rotation du moteur et le manchon de guidage (des ressorts de compression sont utilisés pour le réduire).

4.Erreur due au frottement.

Aux faibles puissances de l'élément entraînant le balai du capteur potentiomètre, une zone de stagnation peut se produire par frottement.

La pression de la brosse doit être réglée avec soin.

5. Erreur due à l'influence de la charge.

Selon la nature de la charge, une erreur se produit, aussi bien en mode statique qu'en mode dynamique. Avec une charge active, la caractéristique statique change. La valeur de la tension de sortie sera déterminée selon l'expression : Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

Ces. Uout = f (r) dépend de Rn. Avec Rn >> R on peut montrer que Uout = (U / R) r ;

lorsque Rn est approximativement égal à R, la dépendance est non linéaire et l'erreur maximale du capteur sera lorsque le curseur s'écarte de (2/3))l. Choisissez généralement Rí / R = 10 … 100. L'ampleur de l'erreur à x = (2/3) l peut être déterminée par l'expression : E = 4/27η, où η= Rí / R — facteur de charge.

Capteur potentiométrique sous charge

a — Circuit équivalent d'un capteur potentiométrique avec une charge, b — Influence de la charge sur la caractéristique statique du capteur potentiométrique.

Caractéristiques dynamiques des capteurs potentiométriques

Fonction de transmission

Pour dériver la fonction de transfert, il est plus pratique de prendre le courant de charge comme valeur de sortie ; il peut être déterminé à l'aide du théorème du générateur équivalent. B = Uout0 / (Rvn + Zn)

Considérez deux cas :

1. La charge est purement active Zn = Rn car Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

où K1 est le régime de ralenti du capteur.

En appliquant la transformée de Laplace, on obtient la fonction de transfert W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

On obtient ainsi une liaison sans inertie, ce qui signifie que le capteur possède toutes les caractéristiques fréquentielles et temporelles correspondant à cette liaison.

Circuit équivalent

2. Charge inductive avec un composant actif.

U = RvnIn + L (dIn / dt) + RnIn

En appliquant la transformée de Laplace, on obtient Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

Par transformations, on peut arriver à une fonction de transfert de la forme W (p) = K / (Tp + 1) — une connexion apériodique du 1er ordre,

où K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L / (Rvn + Rn);

Bruit interne du capteur du potentiomètre

Comme indiqué, lorsque la brosse se déplace d'un tour à l'autre, la tension de sortie change brusquement. L'erreur créée par le pas à pas se présente sous la forme d'une tension en dents de scie superposée à la tension de sortie de la fonction de transfert, c'est-à-dire est le bruit. Si la brosse vibre, le mouvement crée également du bruit (interférence). Le spectre de fréquences du bruit vibratoire se situe dans la gamme des fréquences audio.

Pour éliminer les vibrations, les pantographes sont constitués de plusieurs fils de longueurs différentes pliés ensemble. Ensuite la fréquence propre de chaque fil sera différente, cela évite l'apparition de résonance technique. Le niveau de bruit thermique est faible, ils sont pris en compte dans des systèmes particulièrement sensibles.

Capteurs potentiométriques fonctionnels

Il est à noter qu'en automatisme les fonctions de transfert fonctionnelles sont souvent utilisées pour obtenir des dépendances non linéaires, elles sont construites de trois manières :

• modifier le diamètre du fil le long de la bobine ;

• changement de pas de bobine ;

• l'utilisation d'un cadre avec une certaine configuration;

• en manœuvrant les sections de potentiomètres linéaires avec des résistances de différentes tailles.

Par exemple, pour obtenir une dépendance quadratique selon la troisième méthode, il est nécessaire de modifier linéairement la largeur du cadre, comme indiqué sur la figure.

Capteur potentiomètre fonctionnel

Potentiomètre multitours

Les capteurs à potentiomètre conventionnels ont une plage de fonctionnement limitée. Sa valeur est déterminée par les dimensions géométriques du cadre et le nombre de spires de la bobine. Ils ne peuvent pas augmenter indéfiniment. Par conséquent, les capteurs à potentiomètre multitours ont trouvé une application, où un élément résistif est torsadé dans une ligne en spirale à plusieurs tours, leur axe doit être tourné plusieurs fois pour que le moteur se déplace d'une extrémité de la bobine à l'autre, c'est-à-dire la portée électrique de tels capteurs est un multiple de 3600.

Le principal avantage des potentiomètres multitours est leur résolution et leur précision élevées, qui sont obtenues grâce à la grande longueur de l'élément résistif avec de petites dimensions globales.

Photopotentiomètres

Photopotentiomètre - est un analogue sans contact d'un potentiomètre conventionnel avec une couche résistive, le contact mécanique qu'il contient est remplacé par un contact photoconducteur, ce qui, bien sûr, augmente la fiabilité et la durée de vie. Le signal du photopotentiomètre est contrôlé par une sonde lumineuse qui agit comme un curseur. Il est formé par un dispositif optique spécial et peut être déplacé sous l'effet d'une action mécanique externe le long de la couche photoconductrice. Au point où la photocouche est exposée, un excès de photoconductivité (par rapport à l'obscurité) se produit et un contact électrique est établi.

Les photopotentiomètres sont divisés par objectif en linéaire et fonctionnel.

Les photopotentiomètres fonctionnels permettent de transformer le mouvement spatial de la source lumineuse en un signal électrique de forme fonctionnelle donnée grâce à la couche résistive profilée (hyperbolique, exponentielle, logarithmique).