Потенциометрические датчики. Строение и принцип роботы. Преимущества и недостатки. Характеристика. Область назначения

5/8

Потенциометрические датчики. Строение и принцип роботы. Преимущества и недостатки. Характеристика. Область  назначения.

1. Потенциометрические датчики их строение и принцип работы.

Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является линейное или угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения.

 

Электрическая схема  потенциометрического датчика

 

По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на:

• ламельные с постоянными сопротивлениями;
• проволочные с непрерывной намоткой;
• с резистивным слоем.

 

 

 

Ламельные потенциометрические  датчики использовались для проведения относительно грубых измерений в силу определенных конструктивных недостатков.

В таких датчиках постоянные резисторы, подобранные по номиналу специальным образом, припаиваются к ламелям.

Ламель представляет собой конструкцию с чередующимися  проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт. При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок.

 

Ламельный потенциометрический датчик

 

Проволочные потенциометрические  датчики предназначены для более точных измерений. Как правило их конструкции представляют собой каркас из гетинакса, текстолита или керамики, на который в один слой, виток к витку намотана тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник.

Диаметр проволоки определяет класс точности потенциометрического датчика (высокий-0,03-0,1 мм , низкий 0,1-0,4 мм). Материалы провода: манганин, фехраль, сплавы на основе благородных металлов. Токосъемник выполнен из более мягкого материала, чтобы исключить перетирание провода.

 

2. Преимущества и недостатки датчиков.

Преимущества  потенциометрических датчиков:

• простота конструкции;
• малые габариты и вес;
• высокая степень линейности статических характеристик;
• стабильность характеристик;
• возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатки  потенциометрических датчиков:

• наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибание ползунка;
• погрешность в работе за счет нагрузки;
• сравнительно небольшой коэффициент преобразования;
• высокий порог чувствительности;
• наличие шумов;
• подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

3. Область назначения.

Потенциометрические датчики  предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений  в электрический сигнал, а также  для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа.

4. Характеристика датчика.

Статическая характеристика потенциометрических датчиков

 

Статическая характеристика нереверсивного потенциометрического датчика

 

Рассмотрим на примере  потенциометрического датчика с  непрерывной намоткой. К зажимам  потенциометра прикладывается переменное или постоянное напряжение U. Входной  величиной является перемещение X, выходной − напряжение Uвых. Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна т.к. справедливо соотношение : Uвых=(U/R)r,

где R- сопротивление обмотки; r- сопротивление  части обмотки.

Учитывая, что r/R=x/l, где l - общая длина намотки, получим Uвых=(U/l)x=Kx [В/м],

где К - коэффициент преобразования (передачи) датчика.

Очевидно, что такой датчик не будет  реагировать на изменение знака  входного сигнала (датчик нереверсивный). Существуют схемы чувствительные к  изменению знаку. Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке.

Реверсивная схема потенциометрического датчика

Статическая характеристика реверсивного потенциометрического датчика

 

Полученные идеальные  характеристики могут существенно  отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей:

1.Зона нечувствительности.

Выходное напряжение меняется дискретно  от витка к витку, т.е. возникает  эта зона, когда при малом входная  величина Uвых не меняется.

Величина скачка напряжения определяется по формуле: DU=U/W, где W- число витков.

Порог чувствительности определяется диаметром намоточного провода: Dx=l/W.

 

Зона нечувствительности потенциометрического датчика

 

2.Неравномерность статической  характеристики из-за непостоянства  диаметра провода, удельного сопротивления  и шага намотки.

3.Погрешность от люфта, возникающего  между осью вращения движка  и направляющей втулкой (для уменьшения используют поджимные пружины).

4. Погрешность от трения.

При малых мощностях элемента приводящего  в движение щетку потенциометрического датчика может возникать за счет трения зона застоя.

Необходимо тщательно регулировать нажим щетки.

5.Погрешность от влияния нагрузки.

В зависимости от характера нагрузки возникает погрешность, как в статическом, так и в динамическом режимах. При активной нагрузке изменяется статическая характеристика. Величина выходного напряжения будет определяться в соответствии с выражением: Uвых=(UrRн)/(RRн+Rr-r2)

Т.е. Uвых=f(r) зависит от Rн. При Rн>>R можно показать, что Uвых=(U/R)r;

при Rн приблизительно равном R зависимость  нелинейна, и максимальная погрешность  датчика будет при отклонении движка на (2/3))l. Обычно выбирают Rн/R=10…100. Величина ошибки при x=(2/3)l может быть определена из выражения : E=4/27η, где η=Rн/R - коэффициент нагрузки.

 

Потенциометрический датчик под нагрузкой

 

a - Эквивалентная схема потенциометрического датчика с нагрузкой, б - Влияние нагрузки на статическую характеристику потенциометрического датчика.

 

Динамические характеристики потенциометрических датчиков

Передаточная  функция

Для вывода передаточной функции удобнее за выходную величину взять ток нагрузки, его можно  определить пользуясь теоремой об эквивалентном  генераторе. Iн=Uвых0/(Rвн+Zн)

Рассмотрим два случая:

1.Нагрузка чисто активная Zн=Rн т.к. Uвых0=K1x Iн=K1x/(Rвн+Rн)

где K1 − коэффициент  передачи датчика на холостом ходу.

Применяя преобразование Лапласа, получим передаточную функцию W(p)=Iн(p)/X(p)=K1/(Rвн+Rн)=K

Таким образом, мы получили безынерционное звено, а значит датчик имеет все, соответствующие этому звену частотные и временные характеристики.

 

Схема замещения

 

 

 

2. Нагрузка  индуктивная с наличием активной составляющей.

U=RвнIн+L(dIн/dt)+RнIн

Применяя преобразование Лапласа получим Uвыхx(p)=Iн(p)[(Rвн+pL)+Rн]

Путем преобразований можно  прийти к передаточной функции вида W(p)=K/(Tp+1) – апериодическое звено 1-го порядка,

где K=K1/(Rвн+Rн)

T=L/(Rвн+Rн);

 

 

 

 

 

5/18

Основные законы и  последствия алгебры логики

В алгебре логики выполняются  следующие основные законы, позволяющие  производить тождественные преобразования логических выражений:

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ АЛГЕБРЫ  ЛОГИКИ

Закон	Для   ИЛИ	Для   И
Переместительный
Сочетательный
Распределительный
Правила де Моргана
Идемпотенции
Поглощения
Склеивания
Операция переменной с ее инверсией
Операция с константами
Двойного отрицания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5/38

Характеристика роботов  по поколениям

В истории развития роботов  их делят на 3 поколения:

 

 

1 поколение.

Роботы первого поколения  — это роботы с программным  управлением (программные роботы). Эти роботы в основном предназначены для выполнения определенной жестко запрограммированной последовательности операций, диктуемой тем или иным технологическим процессом. Управление роботами первого поколения осуществляется по заранее заданной программе, а значит, и при строго определенных и неизменных условиях функционирования. Простота изменения программы, т. е. возможность переобучения роботов первого поколения новым операциям, сделала эти роботы достаточно универсальными и гибко перестраиваемыми (правда, с помощью человека-оператора) на различные классы задач в пределах функциональных возможностей данного робота.

Следует отметить, однако, что функциональные возможности роботов первого  поколения существенно ограничиваются малым ассортиментом информационно-измерительных датчиков и несовершенством управляющей системы, служащей лишь для осуществления заранее заложенной в памяти жесткой программы. Способность к восприятию внешнего мира и к формированию его модели у роботов первого поколения практически отсутствует. Поэтому эти роботы принципиально не могут функционировать совершенно самостоятельно (автономно), без вмешательства человека. Упомянутые ограничения привели к тому, что в последнее время особую актуальность приобрели научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки по созданию следующего, более совершенного поколения роботов.

 

 

 

2 поколение.

Роботы второго поколения  — это очувствленные роботы. Они  отличаются от программных роботов, во-первых, существенно большим ассортиментом  сенсорных датчиков, как внешних (телевизионные, оптические, тактильные, локационные датчики и т. п.), так и внутренних (датчики положений «руки» или «ноги» относительно «тела» робота, датчики усилий и моментов и т. п.) и, Во-вторых, более сложной системой управления. Последняя уже не ограничивается только устройством для запоминания жесткой программы движения, как у роботов первого поколения, а требует для своей реализации управляющей ЭВМ. Технические «органы чувств» роботов второго поколения служат источниками сигналов обратных связей для управляющей системы. Эта система и формирует закон управления исполнительными механизмами робота (манипулятором, органами перемещения и т. п.) с учетом фактической обстановки- Такое управление реализуется путем формирования связей типа «класс ситуаций — действие», которые либо заранее закладываются в память управляющей системы, либо формируются в процессе обучения робота человеком. При этом под «ситуацией» понимается набор значений сигналов на выходе сенсорной системы, а под «классом ситуаций» — множество «ситуаций», обладающее тем свойством, что все «ситуации» из одного класса требуют одного и того же «действия», адекватного этому «классу ситуаций». «Действием» является программа движения, которая, как и в роботах первого поколения, заранее задается (заносится в память управляющей системы). 
 В случае существенного изменения «ситуации», соответствующего переходу из одного «класса ситуаций» в другой, меняется и «действие», т. е. программа движения. Описанная схема управления напоминает схему выработки условных рефлексов у человека и животных. Поэтому поведение очувствленного робота мы можем условно назвать рефлекторным. Подчеркнем, что именно наличие связей «класс ситуаций — действие» позволяют очувствленному роботу приспосабливать свое поведение к реально складывающейся и даже меняющейся (правда, в довольно ограниченных пределах) обстановке. 
   Интересно отметить, что соотношения между отдельными «органами чувств», их техническими характеристиками, относительной значимостью и взаимодействием у роботов существенно иные, чем у человека. Более того, очувствленные роботы могут обладать и «сверхчувствительными» органами чувств, способными воспринимать сигналы, недоступные для органов чувств человека. При этом способы обработки сенсорной информации могут существенно отличаться от таковых в живой природе. Так, например, у очувствленных роботов относительное значение зрения и слуха может быть (например, при глубоководных исследованиях) значительно меньше, чем у человека, а роль тактильных датчиков, наоборот, — больше и, кроме того, могут использоваться разнообразные нечеловеческие «органы чувств» (ультразвуковые датчики, приборы ночного видения, магнитометры и т. п.). 
Неотъемлемой частью роботов второго поколения является их алгоритмическое и программное обеспечение, т. е. комплекс алгоритмов, и программ, предназначенных для обработки сенсорной информации и выработки управляющих воздействий. Необходимость развития алгоритмического и программного обеспечения очувствленных роботов обусловлена главным образом расширением класса решаемых задач и, следовательно, сферы применения роботов. Имеются все основания считать, что доля затрат на алгоритмическое и программное обеспечение очувствленных роботов будет увеличиваться по сравнению с затратами на разработку самих вычислительных средств управления, так как структура и функции последних в известной мере стабилизировались. В то же время функциональные возможности очувстеленных роботов, определяемые их алгоритмическим и программным обеспечением, могут быть существенно расширены путем наращивания программ «класс ситуаций — действие». Роботы второго поколения, оснащенные большим ассортиментом сенсорных датчиков и управляющей ЦВМ, значительно превосходят по своим функциональным возможностям программных роботов. Благодаря способности воспринимать изменения во внешней среде, анализировать сенсорную информацию и приспосабливаться к существующим условиям функционирования, очувствленные роботы могут работать с неориентированными деталями произвольной формы, осуществлять сборочные и монтажные операции, собирать информацию о неизвестной и, возможно, меняющейся внешней среде и т. п. 
 Однако очувствленные роботы, вообще говоря, не должны заменить роботы первого поколения. Оба поколения роботов взаимно дополняют друг друга, выполняя действия различной сложности при различной степени информированности о внешней среде. Их совокупность позволяет автоматизировать подавляющее большинство ручных и транспортных операций в сфере промышленного -и сельскохозяйственного производства.