Лабораторная работа

Исследование датчиков параметрического типа. Потенциометрический датчик

Цель работы: Исследование и снятие характеристик потенциометрического датчика.

Краткие теоретические сведения

Для непрерывного контроля за режимом работы различных машин и агрегатов, протеканием технологических процессов необходимо иметь устройства, измеряющие значения величин, характеризующих эти процессы. В автоматике эти устройства называют датчиками.

В системах автоматики датчик предназначен для преобразования контролируемой или регулируемой величины (параметра контролируемого объекта) в выходной сигнал более удобный для дальнейшего движения информации, поэтому датчик нередко называют преобразователем, хотя этот термин является слишком общим, так как любой элемент автоматики и телемеханики, имея свой вход и выход, является в той или иной мере преобразователем.

На вход датчика могут поступать как электрические, так и неэлектрические сигналы. С выхода датчика обычно получают электрические сигналы. Это вызвано тем, что электрический сигнал проще усиливать и передавать на различные расстояния. В зависимости от физической природы входной величины датчики делятся на датчики электрических величин (тока, напряжения, мощности, частоты) и датчики неэлектрических величин (температуры, давления, скорости, уровня и т.п.)

Наиболее полно позволяет отразить свойства, особенности и возможности применения датчиков – классификация их по принципу действия. На основании этого признака датчики можно разделить на параметрические и генераторные. В параметрических датчиках входные величины (обычно неэлектрические) преобразуются в выходные параметры электрических цепей (R- сопротивления, L- индуктивные, C- емкостные и М- трансформаторные). Такие датчики используют для преобразования механических перемещений, усилий, температур в электрическое напряжение, ток или частоту. К ним относятся электромеханические датчики, фото- и терморезисторы и т.д.  В  генераторных датчиках энергия входной величины преобразуется в энергию электрического выходного сигнала – ЭДС. К ним относятся термоэлектрические, индукционные, пьезоэлектрические и фотоэлектрические датчики. Некоторые типы датчиков могут работать как в параметрическом, так и в генераторном режимах: фотодиоды, фототранзисторы, селеновые фотопреобразователи. Режим преобразования определяется схемой включения датчика в электронную схему (электрическую цепь).

По виду входной информации датчики разделяются на датчики механических, тепловых, оптических, акустических и других величин. 

К основным характеристикам датчиков относятся: 1) входная измеряемая величина – величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком; 2) выходной сигнал датчика - изменение несущей величины (тока, напряжения, частоты), используемого для передачи информации; 3) статическая характеристика датчика, показывающая функциональную зависимость между изменением входной и выходной величинами.

Свойства, которыми должен обладать каждый датчик, чтобы соответствовать своему назначению в автоматической системе, разнообразны. Можно выделить основные требования, предъявляемые к ним: однозначность зависимости между входной и выходной величинами, когда конкретному значению входной величины соответствует строго определенное значение выходной; линейное (там, где это возможно) – самая простая и наглядная зависимость между выходной и входной величинами; высокая чувствительность к измеряемой величине; достаточная мощность выходного сигнала, обеспечивающая по возможности дальнейшее управление элементами системы без усилителей; стабильность характеристик во времени, то есть в течение определенного периода эксплуатации; отсутствие влияния нагрузки выходной цепи на измеряемую электрическую величину и на технологический процесс в целом; малая инерционность, то есть минимальная задержка в передаче сигнала через датчик; наименьшее влияние посторонних факторов на характеристик датчиков; устойчивость к воздействиям окружающей среды; надежная и долговечная работа; невысокая стоимость; технологичность изготовления; удобство эксплуатации; достаточная степень унификации отдельных частей.

Общими характеристиками датчиков являются: статическая характеристика; инерционность; динамическая (дифференциальная) чувствительность; порог чувствительности; погрешность; мощность; момент или усилие, требуемые от источника входного сигнала; выходная мощность и выходное сопротивление датчика.

Статическая характеристика показывает зависимость выходной величены Y от входной величены Х, т.е. Y=F (X), где Х- контролируемый или регулируемый параметр, действующий на датчик; Y-параметр, полученный после преобразования.

Инерционность характеризуется отставанием изменений выходной величины Y от изменений входной величины Х и поэтому является нежелательной.

Порог чувствительности это наименьшее значение входного сигнала, которое вызывает изменение выходного сигнала.

Погрешность это изменение выходного сигнала, возникающие в результате изменения внешних условий его работы.

Потенциометрические (реостатные) датчики применяются для измерения угловых или линейных перемещений и преобразования этой величины в изменение сопротивления.

Конструктивно датчики такого типа представляют собой каркас прямоугольной или кольцевой формы, на который намотана в один ряд тонкая проволока. По виткам проволоки скользит щетка, называемая движком потенциометра, которая механически связана с объектом, перемещение которого нужно измерить. С целью снижения влияния температуры на R_вых применяют провод с малым температурным коэффициентом сопротивления (нихром, константан, манганин). Наиболее часто применяют потенциометры, у которых сечение каркаса по всей длине одинаково, а намотка равномерна. За счет этого выходное сопротивление датчика R_вых линейно зависит от перемещения L. Выходное напряжение потенциометрического датчика в режиме холостого хода, когда нагрузка не подключена, определяется по формуле:

U_вых = I R_х= U R_x/R                                    (1.1),

где I- ток, который протекает по датчику,

R_х- сопротивление введенной части датчика,

U- напряжение питания датчика,

R- полное сопротивление датчика.

Предполагая, что намотка датчика выполнена равномерно, можно написать следующее выражение:

R_x/R=x/L,

где х- перемещение ползунка датчика,

 L- длина обмотки датчика.

Подставив в формулу (1.1) вместо выражения R_x/R выражение x/L, получим:

U_вых= U*x/L=K_x                                                                    (1.2),

 где K=U/L – коэффициент передачи.

При подключении к датчику нагрузки R_н из-за ее шунтирующего действия линейная зависимость выходного напряжения от перемещения движка потенциометра нарушается. Чтобы нарушение линейности было незначительным, должно быть R_н>>R (в 20 раз и более).

Достоинства потенциометрического датчика: высокая точность преобразования, простота конструкции, безинерционность, возможность питания постоянным и переменным током.

Основными недостатками датчиков являются: наличие подвижного контакта, снижающего надежность и срок службы датчика, невысокая чувствительность, нелинейность характеристики при низкоомной нагрузке и наличие ошибки от ступенчатости характеристики.

Оборудование: Лабораторный стенд, соединительные провода.

Задание 1: исследование и снятие характеристик потенциометрического датчика в режиме холостого хода.

Порядок выполнения работы

1.     Ознакомится с электрической схемой опыта.

2.     Подсоединить выход “+5” блока питания к гнезду “10” миллиамперметра РА2.

3.     С гнезда “*” того же миллиамперметра подключить к переменному резистору R42 “α, град.” на гнездо “+Uп”.

4.     Подсоединить к гнезду “U_вых” того же переменного резистора вольтметр PV2 на предел измерения 10В.

5.     Гнездо “*” вольтметра PV2 подсоединить к нулевому проводу стенда.

6.     Поставить ручку регулятора R42 в крайнее левое положение.

7.     Включить лабораторный стенд и, медленно поворачивая ручку регулятора R42, снять показания миллиамперметра и вольтметра.

8.     Результаты измерений занести в таблицу 1.

Рисунок 1. Электрическая схема задания 1

Задание 2: исследование и снятие характеристик потенциометрического датчика под нагрузкой.

Порядок выполнения работы

1.     Ознакомится с электрической схемой опыта.

2.     Подсоединить выход “+5В” блока питания к гнезду “10” миллиамперметра РА2.

3.     С гнезда “*” того же миллиамперметра подключится к переменному резистору R42 “α, град” на гнездо “+U_п”.

4.     Произвести соединение от гнезда “U_вых” того же переменного резистора к свободной шине “6”.

5.     Соединить гнезда шины “6” с гнездом “X5” , расположенном на рисунке схемы операционного усилителя; и с гнездом “10” вольтметра PV2. Гнездо “*” вольтметра PV2 подсоединить к нулевому проводу стенда.

6.     Подключить нулевой провод стенда к гнезду “X3” , расположенного на рисунке схемы операционного усилителя.

7.     Поставить ручку регулятора R42 в крайнее левое положение.

8.     Включить лабораторный стенд и, медленно поворачивая ручку регулятора, снять показания миллиамперметра и вольтметра.

9.     Результаты измерений занести в таблицу 1.

10.  По результатам исследований построить характеристики датчика:

U_x.x. =f(α)  и   U_н. = f(α).

11. Рассчитать сопротивление резистора в режиме холостого хода и под нагрузкой.

Рисунок 2. Электрическая схема задания 2

Таблица 1 Данные измерений и вычислений

Контрольные вопросы

1.     Как классифицируются датчики по принципу действия, привести примеры.

2.     Какие входные величины преобразуются в каждом виде датчиков?

3.     Назвать основные характеристики датчиков.

4.     Схема включения и принцип действия потенциометрического датчика.

5.     Назвать достоинства потенциометрических датчиков.

Скачано с www.znanio.ru