Быстрое развитие технологий в сфере разработки систем управления и микропроцессорной и полупроводниковой техники привело к широкому использованию электронных систем управления во всех отраслях современной промышленности. Благодаря этому возникла необходимость в недорогих, но при этом достаточно надежных датчиках, как в отношении электрической, так и механической части, способных безотказно работать в широком диапазоне температур (напр., с -40 до +160 °С), особенно в таких массовых производствах, как автомобильная промышленность.
На рис. 1 приводится перечень датчиков различных типов для углового и линейного перемещения, которые применяются в настоящее время. В данной работе рассматриваются критерии качества (1) и (2), применимые к потенциометрам из проводящей пластмассы, используемым в качестве датчиков углового и линейного перемещения. В целом, в состав таких потенциометров входят следующие компоненты:
- Резистивный элемент (материал-подложка + резистивная дорожка из проводящей пластмассы)
- Скользящий контакт (сплав из драгоценных металлов)
- Приводной вал или стержень
- Подшипники (шариковые или плоские подшипники скольжения)
- Корпус
В настоящее время, когда речь идет об использовании потенциометра в качестве датчика, важно помнить о том, что приводимые здесь положения применимы только в том случае, если потенциометр подсоединен как делитель напряжения, а не как переменный резистор (реостат) (рис. 2). Напряжение скользящего контакта должно быть подсоединено, без нагрузки, к рабочему усилителю, такому как усилитель серии 741, OP 07 или иной компонент с высоким входным сопротивлением.
На рис. 3 приводится разъяснение применяемых терминов, таких как электрическое и механическое перемещение. L1 — установленное электрическое перемещение. L2 — непрерывное перемещение, в которое входят также поля нелинейной связности (см. рис. 4). L3 — общее перемещение электрического контакта потенциометра. L4 — механическое перемещение. Определение электрического напряжения для всего данного перемещения не требуется. Если не указано иное, поля L1, L2, L3 и L4 проектируются, как правило, симметричными.
рис. 2 | рис. 3 | рис. 4 |
Из всех упомянутых качественных характеристик наиболее часто в имеющихся на данный момент работах приводятся определения линейности и конформности (2). Данные термины выражают степень, в которой напряжение на выходе потенциометра, а также датчиков углового или линейного перемещения иных типов, отличается от теоретически предусмотренного. В подавляющем большинстве случаев желаемое значение выходной величины прямо пропорционально угловому или линейному перемещению, т.е., входной характеристике.
Формула: см. рис. 5,
где m — градиент, смещающее напряжение потенциометра и линейное или угловое перемещение. При линейной связи отклонение называется линейностью. В том случае, если связь является нелинейной,
U = f (x) + a + b
отклонение называется конформностью.
Если напряжение U0 подается на потенциометр с линейной характеристикой, как на рис. 5 , и скользящий контакт перемещается в направлении альфа (стандартное перемещение, угол 0;1), то между выходным напряжением и механическим входным значением будет существовать связь, показанная на рис. 6. Максимальное отклонение кривой потенциометра от идеальной прямой линии называется погрешностью независимой линейности. Угол наклона и точку пересечения оси этой прямой линии также можно выбрать, чтобы минимизировать погрешность f в пределах перемещения L1.
Погрешность ±f указывается как отклонение в процентах выходного напряжения от теоретического относительно входного напряжения. Поскольку непосредственное измерение характеристики потенциометра не позволяет оценить степень такой погрешности, составляется только диаграмма различия между характеристической кривой потенциометра и характеристической кривой теоретически совершенного эталонного потенциометра (см. практический пример на рис. 7). В настоящее время типовые значения для независимой линейности составляют от 0,2 % до 0,02 %.
рис. 6 | рис. 7 |
Учитывая постоянный рост автоматизации сборочных линий, пользователи убеждаются в том, что величины абсолютной линейности приобретают все большее значение. В отличие от независимой линейности, эталонный угол наклона для абсолютной линейности полностью определен (рис. 8), и поэтому отсутствует необходимость последующей точной регулировки системы. Определение индексной точки устанавливает связь между механическим входным значением (перемещение или угол) и выходным напряжением.
Потенциометры, линейность которых определяется данными критериями, могут устанавливаться без необходимости дальнейшей подстройки. Как и в случае с независимой линейностью, абсолютную линейность потенциометра лучше определять сравнением ее выходных значений с выходными значениями эталонного потенциометра. Для абсолютной линейности зачастую необходимо, чтобы поля допустимости изменялись ступенчато. См. практический пример на рис. 9.
рис. 8 | рис. 9 |
Как уже было указано в пункте 3, конформность — более общее понятие по сравнению с линейностью. Определение абсолютной конформности аналогично абсолютной линейности. Крайне важным моментом является определение индексной точки.
Функциональную связь можно определить математически или путем распечатки нескольких точек для построения кривой с использованием соответствующей интерполяции.
Также можно с помощью потенциометра настроить устойчиво возрастающие или устойчиво убывающие функции: логарифмические, экспоненциальные, синусоидальные или косинусоидальные.
Контактное сопротивление — это сопротивление между клеммой скользящего контакта и ближайшей точкой контакта на резистивной дорожке потенциометра. Далее мы рассмотрим разъяснения о том, что это контактное сопротивление оказывает влияние на все важные качественные характеристики потенциометра. Контактное или переходное сопротивление можно разбить на три компонента. Первый компонент описывает полный перепад напряжения между токопроводящей дорожкой и контактной поверхностью. Данный компонент в большой степени зависит от технологических факторов и величин до нескольких сотен ом. Вторым, внешним, компонентом управлять гораздо сложнее, чем первым.
Это внешнее переходное сопротивление имеет много общего с контактными сопротивлениями, возникающими в переключателях и разъемных соединителях. Оно возникает в результате перехода между скользящим контактом и дорожкой потенциометра, не идеального с точки зрения электропроводности. Соединение оксидов, хлоридов и сульфидов металлов с различными органическими веществами может привести к образованию тонких непроводящих покрытий на контактной поверхности. Если не держать его в определенных границах, данное внешнее переходное сопротивление может, при неблагоприятных условиях, привести к полной неспособности держать его в определенном пределе допусков.
Абсолютно необходимо, чтобы используемые при изготовлении потенциометра материалы подвергались жесткому контролю качества и соответствовали друг другу. Третий, динамический, компонент относится к динамическим движущим силам, действующим на скользящий контакт при высоких скоростях приведения в действие. С помощью подавленных скользящих контактов скорость приведения в действие может достигать 10 м/сек без какого-либо существенного повышения динамической составляющей контактного сопротивления.
Здесь и далее будут рассматриваться только линейные характеристики (линейность). Связи должны быть соответствующим образом адаптированы для оборудования с нелинейными характеристиками (конформностью), но существенные различия отсутствуют. Как уже было упомянуто в разделе 2, могут использоваться только необходимые значения линейности, поскольку сигнал на выходе «потенциометра»-датчика не несет ток. Теперь рассмотрим воздействие тока скользящего контакта на линейность. На рис. 10a показана функциональная связь между током скользящего контакта, контактным сопротивлением и погрешностью линеаризации.
Как показано в примере, приводимом на рис. 10b (Характеристика 4), при токе скользящего контакта 10 µA и контактном сопротивлении 10 кОм потенциометр, имеющий сопротивление 2 кОм, уже имеет погрешность линеаризации 1,1 %. Аналогичная ситуация возникает при омической нагрузке. Это четко указывает на то, насколько важными являются характеристики, как тока скользящего контакта, так и контактного сопротивления.
рис. 10a | рис. 10b |
При наличии осевого отклонения (несоосности) между приводным валом и валом потенциометра, используемого для обнаружения углового перемещения, возникает ошибка линеаризации, которая увеличивается по мере уменьшения радиуса соединения относительно степени несоосности. Максимальная относительная ошибка определяется с помощью следующего уравнения:
Fмакс. = E/Pi · rk, где
E = несоосность
rk = радиус соединения
Линейность или конформность любой системы с датчиком вращения можно использовать в полной мере только при недопущении или, в крайнем случае, максимально возможном уменьшении ошибок соосности соединения (смещения или отклонения от правильного углового положения).
Это значит, что для высокоточных измерительных систем необходимо предусмотреть соответствующий допуск на несоосность соединения в соответствии с приводимым выше уравнением.
Примерно 60 лет назад, когда потенциометры из проводящей пластмассы впервые появились на рынке, стало очевидно, что, несмотря на то, что скачки напряжения на обмотке, которые являлись отличительной характеристикой проволочных потенциометров, были устранены, нельзя было обеспечить абсолютную плавность выходного напряжения. После базовых исследований, проведенных компанией H. Wormser 4, 5, 6, термин «плавность» был включен в стандарт, выпущенный Институтом переменных резисторных комплектующих элементов (VRCI). Хотя данное определение на тот момент было приемлемым, оно не может рассматриваться в качестве системного определения для многих сфер применения.
Это потому, что сейчас возможно производство потенциометров со значительно лучшими значениями плавности и линейности. Именно поэтому компания Novotechnik в последние годы стремилась сформулировать определения, лучше соответствующие современному состоянию техники. Ниже приводится обзор и оценка различных использованных методов.
Плавность представляет собой степень измерения отклонений от абсолютной равномерности, которые возникают в выходном напряжении потенциометра. Данная равномерность измеряется по определенному возрастанию перемещения, например, в 1%, и выражается в процентах от подаваемого напряжения. Для измерения плавности в определении VRCI предполагается использование полосового фильтра в качестве средства подавления любых ошибок линеаризации и для обеспечения работы потенциометра с нагрузочным сопротивлением (напр., 100 . Rp). У данного метода имеется ряд недостатков:
a) Применение фильтра приводит к изменениям, как абсолютной скорости скользящего контакта, так и иным изменениям любых скоростей, что оказывает влияние на значения плавности. Поскольку фильтр частично объединяет и частично разделяет, кривая плавности на графике не точно указывает колебания выходного сигнала.
б) Прилагаемая на потенциометр нагрузка также способствует возникновению ошибки, вызывая колебания контактного сопротивления. При этом данное значение является максимальным на конце скользящего контакта, на который подается напряжение, и минимальным на заземленном конце дорожки потенциометра. частично разделяет, кривая плавности на графике не точно указывает колебания выходного сигнала.
в) Оценочный интервал в 1 % не является достаточно точным для многих современных сфер применения. частично разделяет, кривая плавности на графике не точно указывает колебания выходного сигнала.
г) В некоторых случаях произвольный выбор типа фильтра, нагрузочного сопротивления и возрастания перемещения привод к получению не поддающихся прямому сравнению значений плавности.
В 1978 г. компания Novotechnik ввела в обращение термин «Микролинейность», который определяется как максимальное колебание линейности в пределах приращения перемещения или углового приращения, которое составляет — как и при измерении плавности — 1% от диапазона электрической величины, если не указано иное.
Микролинейность указывается как процент от подаваемого абсолютного напряжения. На рис. 11 приводится характеристическая кривая, полученная для потенциометра с ошибкой микролинейности. Она была получена с помощью компьютеризованной системы при измерении линейности.
рис. 11Если в какой-либо высокочувствительной системе управления необходимо, например, выполнить усиление таким образом, чтобы контур управления оставался стабильным при среднем угле наклона (градиенте) датчика, то важным моментом является обнаружение любых возможных изменений этого угла наклона (рис. 12a, рис. 12b).
Если в какой-либо точке градиент существенно больше среднего значения, в данном положении усиление по замкнутому контуру будет выше, что может привести к генерации обратной связи. Если же, напротив, в определенной точке градиент меньше среднего, может уменьшаться повторяемость и снижаться точность управления.
При соотнесении такого типа изменения локального градиента gl со средним градиентом go потенциометра обнаруживается, что данный критерий не зависит от длины потенциометра и может использоваться для непосредственного сравнения различных потенциометров.
локальный градиент gl
ОИГ = ——————————— = ——
средний градиент go
рис. 12a | рис. 12b | рис. 13 |
Измерения показали, что у потенциометров из проводящей пластмассы колебания градиента статистически распределены на приращения перемещения менее 1 µм, т.е., периодичность или регулярность отсутствует. На рис. 14a показана кривая ОИГ, а на рис. 14b значения ОИГ с шагом в 0,1, 0,2 и 0,3°.
Данные распределения имеют форму, более или менее соответствующую нормальному распределению, предполагаемому с точки зрения принципа центрального предельного значения. Среднее значение распределения составляет примерно 1 (средний градиент), с увеличением ширины шага отклонение (STDEV — среднее отклонение) уменьшается.
Поскольку каждое отдельное значение ОИГ представляет собой среднее значение, предполагается, что отклонение таких средних значений будет уменьшаться в соответствии со среднеквадратической функцией пропорционально увеличению размера шага, поскольку каждое подобное увеличение приводит к увеличению размера случайной выборки.
ОИГ(X) Y
———— = — применяется для STDEV
ОИГ(Y) ⎷ X
На рис. 15 такое отклонение указано как функция ширины шага. Таким образом, отклонение ОИГ может рассматриваться как отличительная качественная характеристика потенциометра. Функциональная зависимость служит также для указания максимального разрешения потенциометра, которое не является неограниченным, как заявляют многие производители потенциометров.
На рис. 15 приводятся также максимальные значения ОИГ. Данная кривая, как и кривая, построенная по минимальным значениям, естественно, не подчиняется статистическим законам, а строится с учетом включения дефектных положений и сбоев в системе «потенциометр» как единое целое. Данные значения являются чрезвычайно важными для оценки предполагаемой стабильности и повторяемости системы управления.
рис. 14a | рис. 14b | рис. 15 |
При измерении значений ОИГ потенциометров до синхронизатора размера 20 серийного производства, при ширине шага 0,1° получаются значения ОИГ ±10 %. При указании значения ОИГ±100 % как предела разрешения, с помощью уравнения, приводимого в п. 7.4, получается, с 10% допуском, разрешение 1/1000°.
Степень разрешения определяется, главным образом, по однородности и гранулометрическому составу слоя проводящей пластмассы, контактной поверхности скользящего контакта, параллельной эквипотенциальным линиям (рис. 16a, 16b), и по току скользящего контакта.
рис. 16a | рис. 16b |
Значение гистерезиса определяет перепад сигнала, возникающий при приближении к заданному положению с одной стороны, переходе через точку и приближении к тому же самому положению с другой стороны. На гистерезис, в основном, оказывают влияние такие механические факторы, как подшипники, устойчивость системы скользящего контакта и коэффициент трения между проводящим слоем и скользящим контактом. По этой причине необходимо обязательно обеспечить жесткое механическое соединение без зазоров. Для этого необходимо использовать, например, подпружиненный конический штифт или рычаг. На рис. 18 приводится гистерезис, зафиксированный у стандартного потенциометра Novotechnik.
Измерения проводились вращением по часовой и против часовой стрелки с трехкратным повтором. В то время как кривые, фиксируемые в одном направлении, почти совпадают (что указывает на хорошее разрешение), в обратном направлении отмечается гистерезис около четырех тысячных градуса. Тот факт, что кривые в одном направлении почти совпадают, а в противоположном направлении отмечается постоянный гистерезис, указывает на стабильное смещение контактной линии скользящего контакта, что означает отсутствие перрывистого скольжения.
рис. 17Во многих технических паспортах, оформляемых производителями потенциометров, часто приводятся ссылки на коэффициент температуры (Tk) и коэффициент влажности (Fk) номинального сопротивления. В тех случаях, когда потенциометры используются в качестве делителей напряжения (рис. 2), эти значения считаются несущественными. В данном же случае значения Tk и Fk, применимые к режиму работы делителя напряжения, имеют большое значение.
Зачастую происходит то, что влажность при измерении значений Tk не остается постоянной, что приводит к тому, что в качестве коэффициента температуры зачастую принимается комбинация значений Tk и Fk. Подробные измерения, выполненные компанией Novotechnik, показали, что коэффициенты Tk и Fk номинального сопротивления в потенциометрах из проводящей пластмассы (без корпуса) имеют значения несколько меньше 200 ч.млн./°C и 500 ч.млн./% относительной влажности, соответственно.
Коэффициенты Tk и Fk в режиме деления напряжения на два порядка ниже, что значит, что здесь могут происходить изменения в пределах менее 5 ч.млн./°C и 5 ч.млн/% относительной влажности, что обеспечивает неизменяемость в широком диапазоне температуры и влажности. Однако данное преимущество может быть использовано только при условии надлежащей конструкции корпуса и если, например, в контуре потенциометра не применяются подстроечные сопротивления.
Величина контактного сопротивления, износ, которому подвергается резистивная дорожка, и итоговое изменение электрических характеристик определяют количество операций, которые может выполнить потенциометр, и, следовательно, его срок службы.
Несмотря на то, что это имеет большое значение для промышленного применения, на настоящий момент не разработано ни одного стандарта, который бы определял срок службы или конкретный метод испытаний. Самой сложной задачей является, разумеется, определение значений износа или увеличения контактного сопротивления для установленного числа циклов запуска, поскольку на них заметно влияют такие внешние факторы, как температура и влажность, а также механические и химические воздействия.
Такие значения должны быть установлены для каждого конкретного случая применения. В меньшей степени это относится к методу испытаний, и здесь принятие стандартного метода облегчило бы сравнение срока службы различных потенциометров. Если заказчик не указывает какую-либо иную процедуру, в настоящее время компания Novotechnik применяет два метода испытаний. Первый — практическая проверка, при проведении которой имитируются чрезвычайно малые перемещения скользящего контакта, которые часто происходят в системах управления с обратной связью. Типичные значения: перемещение скользящего контакта — 2°, частота испытаний — 100 Гц.
Данное испытание подмешиванием вибрации позволяет относительно быстро получить результат по надежности контакта и любого изменения градиента в пределах чрезвычайно малого диапазона, поскольку при такой высокой частоте ежесуточно может выполняться около 8,6 миллионов циклов. Второе испытание — испытание половиной хода — предоставляет информацию об изменениях линейности, смещении нулевой точки и износе скользящего контакта. Данное испытание проводится с частотой 10 Гц (0,86 миллиона циклов в сутки) по 50% длины дорожки. Как показано на рис. 19, при этом получается максимальное изменение линейности. Критерием отбраковки здесь может быть увеличение вдвое линейности по сравнению с тем состоянием, когда прибор был новым, и с максимальным значением контактного сопротивления.
рис. 18