Рисунок 2.3 - Конструкция линейного датчика: 1 - вращающийся вал - цель; 2 - контактная щетка; 3 - элемент механического крепления щеток; 4 - резистивный слой; 5 - печатная плата; 6 - корпус устройства; 7 - 9 - терминалы устройства
Рисунок 2.4 - Конструкция углового датчика (в диапазоне 180°): 1 - вращающийся вал - цель; 2 - контактная щетка; 3, 4 - элементы механического крепления щеток; 5 - резистивный слой; 6 - печатная плата; 7 - 9 - терминалы устройства
Проволочные потенциометры могут быть разнообразны по форме, которая зависит от количества витков, способны, как явствует из рисунка 2.2, детектировать и линейные, и нелинейные перемещения, но для многообразных угловых (или, в модели реохорда, линейных) измерений предполагают высокий профиль и значительные габаритные размеры.
Рисунок 2.5 - Схемотехника (принцип действия) углового толстопленочного потенциометрического датчика (в диапазоне до 360°): 1 - скользящий контакт (движок или контактная щетка); 2 - резистивная дорожка; 3 - контактная дорожка; j - измеряемый угол поворота; R0 - максимальное сопротивление датчика; R1, R2 - трассировочные резисторы; R3 - нагрузочный резистор; Vin, Vout - напряжение питания и выходное напряжение, соответственно; Iout - выходной ток
Рисунок 2.6 - Нормализованная выходная передаточная характеристика аналогового углового потенциометрического датчика положения дроссельной заслонки: j - механический угол поворота; Vout - выходное напряжение; V0Q - среднеквадратическое напряжение; jmax - максимальный механический диапазон угла вращения; jeff - эффективный электрический угол (полный диапазон); jlin - линейный участок кривой (рабочая зона); 1 - идеальная выходная характеристика; 2 - неидеальная выходная характеристика; 3, 4 - границы допусков линейности
Рисунок 2.7 - Конструкция гибридного потенциометра: 1 - вращающийся вал - цель; 2 - контактная щетка; 3 - элемент механического крепления щеток; 4 - резистивный слой, контактирующий с проводящей резиной 6 и спиральной проволочной катушкой сопротивления 8; 5 - измерительная дорожка, отделяемая от проводящей резины слоем изоляционного материала 7; 9 - оправка катушки; 10 - 12 - терминалы устройства
Прежде чем детально анализировать особенности, достоинства и недостатки технологии толстопленочных потенциометров (рисунки 2.3, 2.4, 2.5, 2.6), которые сегодня чрезвычайно широко распространены в автоэлектронике, необходимо отметить, что возможно и объединение обеих технологий с так называемыми hybrid coil - гибридными резисторными катушками-спиралями, допускающими многооборотные изменения. Гибридный резистивный элемент представляет собой резистор wirewound, поверх которого нанесена проводящая пластмассовая или резиновая паста, что делается для достижения бесконечного (в теории) разрешения (рисунок 2.7) и максимальной функциональной точности. Хотя концептуальный эскиз автора на рисунке 2.2 также иллюстрирует возможность получения бесконечного разрешения с резистором wirewound-типа, на практике большинство конструкций wirewound-резисторов позволяют получить только скачкообразное дискретное разрешение, если датчик линейных перемещений используется как реостат в схеме делителя напряжения. На рисунке 2.7 показано, как скачкообразность разрешения устраняется в гибридной катушке сопротивления. Линейные перемещения могут быть эквивалентны многооборотному угловому движению, как показано на рисунке 2.2, для которого линейное перемещение движка выполняется в осевом направлении. Кроме того, гибридные катушки позволяют повысить срок службы потенциометров, который для резисторов wirewound-типа сейчас достигает 2 млн циклов, и занять промежуточное положение по этому параметру между wirewound-резисторами и толстопленочными потенциометрами (для которых срок службы может быть свыше 8 млн циклов). Потребляемая мощность - порядка нескольких Вт, сравнимая с wirewound-резисторами, температурная стабильность - также превосходная, как у wirewound-потенциометров.
В типичном толстопленочном автомобильном резисторном датчике к его движущейся части, такой как установочная втулка датчика угла, жестко механически связанной с валом управляющего привода или активатора клапана, прикрепляется подвижный рычаг - токосъемник, одновременно осуществляющий скользящий электрический контакт подвижных контактирующий щеток с резистивным слоем (рисунки 2.1, 2.3, 2.4, 2.5) [2]. Помимо резистивного элемента - дорожки на печатной плате, движка, управляющего вала - корпус устройства включают также подшипники, например шариковые, и уплотнение, а также возвратную пружину (на рисунках 2.1 - 2.7 эти элементы не показаны).
Питание датчика осуществляется от источника постоянного напряжения Vin. Для защиты датчика от перегрузок напряжения питания последовательно включаются переменные резисторы R1, R2. В датчик также могут включаться подстроечные переменные резисторы или постоянные резисторы при индивидуальной настройке устройства.
При перемещении скользящего контакта по радиусу токопроводящего сектора поверх резистивного слоя потенциометра его выходное сопротивление Rj изменяется пропорционально углу поворота детектируемого объекта j (как показано на рисунках 2.1, 2.3, 2.5). Очевидно, этот тип датчиков может быть легко линеаризован простым разворачиванием кругового сектора вдоль его длины.
Потенциометрическое напряжение благодаря пропорциональной связи между длиной дорожки с ее электрическим сопротивлением и, в соответствии с законом Ома, представляет собой линейное постоянное напряжение Vout (рисунки 2.1, 2.5, 2.6).
Чем ближе находится движок к уровню напряжения питания Vin, тем выше выходной сигнал датчика Vout. На выходе устройства пропорциональный выход напряжения Vout снимается с использованием высокоимпедансной нагрузки (порядка нескольких сотен кОм). Напряжение движка должно подключаться, например, также к высокоимпедансному операционному усилителю. Стандартное подключение подвижного контакта выполняется с помощью второй контактной дорожки, состоящей из того же резистивного материала. Во избежание износа и погрешности измерений ток в зоне контакта минимизируют (Iout желательно устанавливать менее 1мкА, но в спецификациях современных устройств это значение может достигать нескольких мА или десятков или сотен мА).
Проволочные спирали wirewound coils или гибридные угловые датчики функционируют аналогично толстопленочным (в концепции, представленной на рисунке 2.2, теоретически даже возможна навивка второй спирали для имитации второй контактной дорожки - измерительной); преимущество в том, что детектирование угла j при спиральном перемещении движка возможно в пределах всей высоты спирали.
Хотя толстопленочные потенциометры могут измерять угловые диапазоны только в пределах 360°, причем с неизбежной мертвой зоной, этого оказывается достаточно для стандартных автомобильных угловых задач, при этом датчики просты в эксплуатации и конструировании, отличаются низкой ценой, достаточным сроком службы, что и объясняет их наиболее широкую популярность в автоэлектронике.
В спецификациях автомобильных толстопленочных потенциометров часто вводится определение положительной и отрицательной независимой линейности (на рисунке 2.5 обозначена буквой L) - максимального отклонения (положительного и отрицательного) выходного напряжения от теоретической прямой линии ±Vout_max. Причем наклон (градиент) и точки пересечения теоретической прямой с реальной характеристикой обычно производителями выбираются так, чтобы суммарная ошибка ±Vout_max была минимизирована или отрицательные и положительные отклонения - DVout_max и +DVout_max были равны.
Для вычисления независимой нелинейности используются как абсолютные отклонения выходного напряжения ±DVout_max, так и отклонения от прямой линии нормализованной характеристики Vout / Vin (j) выходного напряжения, отнесенного к входному напряжению, в зависимости от механической входной величины -
±DVout / Vin (j) 100%.
Типичные значения ошибок этой, обычно нормализованной величины, выражаемые в процентном отношении, составляют сегодня менее 0,5% - до 0,02%. При составлении спецификаций, как правило, измеряется разница между характеристиками рассматриваемого и эталонного потенциометра.
В отличие от независимой линейности, абсолютная нелинейность, которую также приводят в спецификациях датчиков, используют не переменный, а полностью определенный наклон, причем с индексной точкой, однозначно определяющей соотношение между входной величиной и выходным напряжением или нормализованной характеристикой Vout / Vin (j) (как правило, индексная точка задается на середине механического диапазона и пересечении теоретической кривой с фактической передаточной характеристикой). Абсолютная нелинейность потенциометров лежит в пределах 2%. Эта цифра нелинейности может только приблизительно оценить точность устройства - в диапазоне 120° при наклоне передаточной характеристики в 45° двухпроцентная погрешность соответствует 2,4°. Поскольку существуют и другие факторы, снижающие точность, например, смещение и гистерезис, разброс входного и выходного сопротивления, помехи при передаче сигнала, в действительности ошибка может быть еще больше. Все же по стабильности этого параметра в полном диапазоне потенциометры функционируют лучше стандартных датчиков Холла.
Потенциометры, имеющие выходную характеристику, подобную показанной на рисунке 2.6, в полном механическом диапазоне - от нулевого до максимального механического угла поворота (jmax) или максимального линейного хода (Imax) подвижной системы датчика, предлагают больший в сравнении с датчиками Холла полный диапазон эффективного электрического угла поворота подвижной системы jeff, хотя выходное напряжение при положении движка около верхней границы дорожки вблизи терминала Vout обычно не измеряется; кроме того, отношение Vout / Vin (D) никогда не достигает единицы.
В спецификациях потенциометров также может быть рекомендован функциональный диапазон - участок с наибольшей линейностью (jlin), определяемый, например, по заданным предельным уровням выходного напряжения. Для угловых датчиков общим является то, что при аксиальном смещении осей вала привода и вала углового датчика будет возникать систематическая ошибка линейности, которая увеличивается в том случае, если соединительный радиус уменьшается относительно эксцентриситета вращения. Максимальная относительная ошибка линейности определяется выражением
Lmax = e /pr, (2.1)
где е - эксцентриситет (эллипса - отношение расстояния между фокусами эллипса к длине его большей оси, или, для гиперболы, отношение расстояния между фокусами к расстоянию между вершинами);
r - радиус механического соединителя датчика и управляющего вала.
Поэтому любые механические ошибки и смещения для улучшения линейности желательно сводить к минимуму.
