Рисунок 1.1 - Резистивное преобразование, при котором используется потенциометрическое устройство, вызывающее изменение выходного напряжения

Рисунок 1.2 - Эквивалентная схема потенциометрического устройства

Когда прикладываемое на вход прибора напряжение является постоянным и измеряемое значение определяется положением щетки потенциометра, тогда выходное напряжение есть непосредственно функция измеряемой величины.

В преобразователях могут использоваться потенциометрические устройства (с одним или несколькими сопротивлениями в схеме) либо они сами являются потенциометром. В последнем случае потенциометрический элемент будет переменным. Некоторые преобразователи имеют непроволочные сопротивления, такие, как металлокерамическая подложка или проводящая пластиковая пленка. Встречаются потенциометры, в которых полный диапазон изменений положения щетки равен 270°, в то время как другие конструкции имеют диапазон в 10 или даже 20 полных оборотов (3600 или 7200°).

2. Измерение физических величин на основе потенциометрического эффекта

Для измерения положения в автомобильных системах подходят самые различные технологии, среди которых значительное распространение получили потенциометрические датчика угла и линейных перемещений [2, 3]. Этот тип датчиков характеризуется наличием подвижных механических контактов, перемещение которых вдоль длины переменного резистора изменяет его сопротивление пропорционально положению контактов, что индицируется на выходе датчика также пропорциональным аналоговым сигналом постоянного напряжения.

Контактные датчики положения наравне с бесконтактными устройствами сохраняют лидирующие позиции на автомобильном рынке, чему способствуют такие значительные достижения потенциометрической технологии, как малые размеры корпуса и низкая цена, хотя сегодня потенциометры значительно потеснены магнитными угловыми энкодерами Холла, и будущее автомобильной сенсорики связывается именно с активными датчиками положения и скорости [2,3,4,5].

Потенциометры представляют собой устройства, назначение которых состоит в изменении разности потенциалов на концах участка цепи. Простейшей физической моделью может служить проволочный реостат с подвижным контактом, включенный в электрическую цепь. Для использования различных типов резистивных устройств в качестве датчика необходимо учитывать разницу между реостатом, который представляет собой резистор с переменным сопротивлением, и потенциометром, который выполняет функции делителя напряжения (этот принцип поясняется рисунком 2.1).

Рисунок 2.1 - Физическая модель потенциометрического датчика: j - измеряемый угол поворота; R_j - переменное сопротивление датчика; V_in , V_out - напряжение питания и выходное напряжение, соответственно; I_ou t - выходной ток

Если подвижный контакт связать с детектируемым объектом и подать напряжение питания на крайние терминалы, потенциометр может быть использован, во-первых, как датчик линейных или угловых перемещений j, а во-вторых, как датчик абсолютного положения - то есть любых механических параметров движения, определяемых по изменению или абсолютному значению разности потенциалов.

Существует очень много физических конструкций, помимо показанных на рисунках 2.2, 2.3, 2.4, 2.6, которые позволяют изменять сопротивление потенциометра: проволочные нити, ремни и шкивы, зубчатые стойки и шестерни, проводящая резьба, кабельные барабаны, кулачки, конические или наклонные зубчатые колеса, обычные или червячные зубчатые передачи и т.д. Но во всех общим является то, что сенсорный контактный резистивный элемент представляет собой потенциометр либо реохорд.

Поскольку фиксированный элемент датчика - резистивного типа, и изменение разности потенциалов достигается за счет изменения его сопротивления, потенциометры относятся к резистивным датчикам. (Магниторезистивные и индуктивные датчики переменного импеданса, к примеру, - это также варианты резистивных датчиков, но бесконтактного типа, активируемые переменным магнитным полем).

Среди промышленно выпускаемых устройств выделяются три основные технологии контактных резистивных датчиков:

проволочные резистивные устройства, обычно представляющие собой проволочный реохорд или, например, в спиралевидной конфигурации, допускающие измерение углов даже более 360° или линейные измерения (рисунок 2.2);

потенциометры с толстопленочными резистивными дорожками, выполненными способом нанесения на поверхность печатной платы резистивной пасты (графитовой или углеродно-волоконной, сажи) - по радиусу или вдоль длины токопроводящего сектора, контакт с которым осуществляется посредством контактных щеток (рисунки 2.3, 2.4);

гибридные потенциометры, в которых проводящая резистивная паста наносится поверх проволочного спирального потенциометра (рисунок 2.7).

Рисунок 2.2 - Многооборотный проволочный потенциометр: вращающийся вал - цель; 2 - контактный элемент движка; 3 - многооборотная спиральная катушка сопротивления; 4 - движок; 5 - крепление движка к валу 1; 6 - стационарная втулка-основание; 7 - резьбовой наконечник вала для осевого перемещения вала в резьбовом отверстии втулки 6; 8 - 10 - терминалы устройства; j - измеряемый угол поворота; l - линейный осевой ход вала

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; V_in , V_out - напряжение питания и выходное напряжение, соответственно; I_out - выходной ток

Рисунок 2.6 - Нормализованная выходная передаточная характеристика аналогового углового потенциометрического датчика положения дроссельной заслонки: j - механический угол поворота; Vout - выходное напряжение; V_0Q - среднеквадратическое напряжение; jmax - максимальный механический диапазон угла вращения; j_eff - эффективный электрический угол (полный диапазон); j_lin - линейный участок кривой (рабочая зона); 1 - идеальная выходная характеристика; 2 - неидеальная выходная характеристика; 3, 4 - границы допусков линейности