Конструктивные особенности резистивных датчиков

На рисунке 2.2 приведены основные типы существующих потенциометров. По виду резистивного (токопроводящего элемента), определяющего электрическое сопротивление, потенциометры делятся на проволочные и металлоплёночные (рисунок 2.2, е), в которых на изоляционное основание нанесена тонкая плёнка высокоомного металла.

Наибольшее применение нашли проволочные потенциометры. По виду электрической характеристики потенциометры делятся на линейные и функциональные (тригонометрические, степенные, логарифмические и др.). Потенциометры бывают секторными и многооборотными. У многооборотных потенциометров каркас, на который наматывается провод, изогнут по спиральной винтовой линии. На рисунке 2.3 показана конструкция многооборотного потенциометра.  Достоинства потенциометров, это простота конструкции, малые габариты и масса, высокая точность и стабильность характеристики. Недостатки, это износ щётки и резистивного элемента, наличие сухого трения и зоны застоя.

 

 

1 - резистивный элемент; 2 - щетка; 3 - щеткодержатель;

4 - червяк; 5 - направляющая

 

Рисунок 2.2 -  Схемы реостата (а) и потенциометров (б, в, г, д, е)

 

1-валик; 2-корпус; 3-спиральный каркас с намотанной на нем проволокой; 4-тонкосъемная щетка; 5-крышка

 

Рисунок 2.3 – Многооборотный потенциометр

 

Особое место среди потенциометрических преобразователей занимают маятниковые жидкостные переключатели. Эти элементы применяют в авиационных, корабельных и ракетных приборах для измерения отклонения от горизонтальной плоскости. На рисунке 2.4 приведен пример жидкостного электролитического датчика положения (переключателя). Переключатель представляет собой стеклянный баллон 1, в который вварены платиновые электроды  3,4,5. Баллон заполнен токопроводящей жидкостью 2. Имеющийся в баллоне пузырёк воздуха 6 перемещается относительно контактов 3 и 4 в зависимости от наклона баллона. При этом соответственно изменяется поверхность контактов, через которую проходит ток и электрическая проводимость токопроводящего слоя. В отличие от обычных потенциометров, питание жидкостного переключателя производится только переменным током.

 

 

1-стеклянный баллон; 2-тонкопроводящая жидкость; 3,4,5-электроды;

6-пузырек воздуха

 

Рисунок 2.4 - Электролитический ЧЭ, реагирующий на отклонение от

горизонтального положения

 

Емкостные преобразователи

Емкостные датчики линейных и угловых перемещений являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах.

Емкостные датчики представляют собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости.

Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:

,

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками;

 ε₀ = 8,854⋅10^–12 Ф/м — диэлектрическая постоянная (абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума);

 S и d – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.

Для цилиндрического конденсатора справедливо следующее выражение:

 

,

где D l – глубина погружения внутреннего цилиндра радиусом  во внешний радиуса .

Емкостные датчики положения замечательны своей простотой. Диэлектриком обычно служит воздух, так что параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов.

В ёмкостных преобразователях перемещение связано с изменением ёмкости конденсатора. Различают три типа емкостных преобразователей:

- с изменяемым зазором;

- изменяемой площадью взаимного перекрытия пластин конденсатора;

- с изменяемой диэлектрической проницаемостью.

Схемы емкостных чувствительных элементов представлены на рисунке 2.5.

 

а, б- с изменяемыми зазорами; в, г, д, е, ж- с изменяемой площадью

 

Рисунок 2.5 Схемы емкостных чувствительных элементов

 

На рисунке 2.5, а) показана схема преобразователя с одной подвижной пластиной 1 и одной неподвижной 2 пластиной. Зависимость ёмкости С от величины перемещения x имеет гиперболический характер. Чувствительность сильно уменьшается с увеличением зазора. Преобразователи с изменяемой площадью перекрытия пластин применяются для измерения больших линейных перемещений (10 мм. и более), эта схема показана на рисунке 2.5 в). Схема для измерения угловых перемещений приведена на рисунках 2.5, д, е, ж. Емкостной измеритель c изменяемой диэлектрической проницаемостью применяется в качестве уровнемера, например воды в баке. Поскольку диэлектрическая проницаемость воды в несколько раз больше диэлектрической проницаемости воздуха, то ёмкость конденсатора увеличивается при заполнении бака. К достоинствам емкостных преобразователей следует отнести их простоту, малые габариты и массу. К недостаткам малый уровень выходного сигнала необходимость питания напряжением высокой частоты, защиты от паразитных помех и т.д.