Sisteme Senzoriale

PAGE Senzori rezistivi 2

SENZORI REZISTIVI

Senzorii rezistivi sunt senzori de tip parametric; principiul lor de funcionare are la baz variaia rezistenei electrice a elementului sensibil sub aciunea mrimii de msurat.

Rezistena electric a unui material este dat de relaia:

[x.1]

unde: rezistivitatea materialului [m]; l lungimea [m]; S aria seciunii transversale [m2].

Fenomen fizicMrimi msurate

Variaia lungimii unui conductorDeplasri liniare i unghiulare, nivel, grosime

Variaia rezistivitii cu temperaturaTemperatur, concentraii de amestecuri gazoase, viteza fluidelor

Variaia rezistivitii sub aciunea cmpului magneticCmp magnetic, inducie magnetic, deplasri, proximitate, acceleraie

Variaia rezistivitii sub aciunea radiaiilorIntensitate luminoas, flux luminos

Variaia lungimii, seciunii i rezistivitii prin intermediul unui element elastic deformabilFor, presiune, deplasri

Variaia rezistivitii prin procese chimiceConcentraie, umiditate

Tabel 1 Tipuri de senzori rezistivi

Variaia rezistenei electrice poate fi datorat variaiei unuia din cei trei factori care intervin n relaia x.1; ca urmare, senzorii rezistivi permit msurarea unor mrimi neelectrice care determin modificarea rezistivitii, lungimii sau ariei elementului sensibil. In tabelul x.1 sunt prezentate tipuri de senzori rezistivi, cu efectele care stau la baza funcionrii lor i mrimile msurate de acetia.

x.1. Senzori poteniometrici

x.1.1. Construcie i funcionare

Senzorii poteniometrici (reostatici) sunt constituii, aa cum arat i numele lor, dintr-un poteniometru al crui cursor se deplaseaz sub aciunea mrimii de msurat (deplasare liniar sau unghiular, for, presiune, nivelul unui fluid, etc.). Sunt realizai de obicei din conductor electric (constantan, manganin, etc.) nfurat pe o carcas electroizolant. Conductorul reostatului este acoperit cu email sau un strat de oxid care izoleaz spirele ntre ele. Carcasa se confecioneaz n mod obinuit din textolit sau din material plastic; se utilizeaz i carcase din aluminiu acoperite cu lac izolator, pe care sunt nfurate conductoare din metale nobile. Carcasa reostatului poate avea diverse forme: plcu plan sau cilindric, inel plan sau cilindric, segment plan, etc. Contactul mobil (cursorul) al senzorului trebuie s asigure un bun contact electric, ceea ce implic: absena forelor electromotoare de contact, rezisten de contact de valoare redus i stabil att n timp, ct i n prezena vibraiilor sau a vitezei ridicate de deplasare a cursorului. Cursorul se confecioneaz din argint, bronz fosforos, aliaje platin-iridiu sau platin-beriliu, sub forma unor perii de srm sau perii lamelare. Suprafaa de contact a conductorului bobinat trebuie polizat; limea suprafeei de contact a cursorului trebuie s fie de 2-3 ori mai mare dect diametrul conductorului.

Dup forma geometric a rezistenei i, deci, dup micarea cursorului, senzorii poteniometrici se mpart n dou categorii:

senzori de deplasare liniar

senzori de deplasare unghiular

Considerm pentru discuie cazul unui senzor poteniometric de deplasare unghiular, cu carcas inelar (figura x.1). Pentru senzorul ideal, relaia de funcionare este de forma:

[x.2]

unde unghiul de rotaie a cursorului (mrimea de intrare); R - rezistena electric msurat ntre cursor i un capt de referin (mrimea de ieire); C constant de proporionalitate.

Din valoarea corespunztoare unghiului maxim max se determin valoarea constantei C:

,

[x.3]

Rt fiind rezistena total a nfurrii.Fig. x.1 Senzor poteniometric bobinat pentru deplasare unghiularPentru a obine relaii general valabile, independente de valoarea unghiului max, se introduce deplasarea unghiular relativ: a=/max. Rezistena senzorului n acest caz este:

[x.4]

De multe ori este important cunoaterea raportului celor dou rezistene pariale ale senzorului, de o parte i de cealalt a cursorului. Dac se consider rezistena suplimentar datorat conductoarelor de alimentare, contactelor i altor elemente de conexiune (Rk) i se presupune o distribuie simetric a acesteia fa de capete (figura x.2), raportul rezistenelor este:

Notnd raportul ntre rezistena suplimentar i cea total a senzorului: =Rk/Rt, se obine:

Fig. x.2 Schema echivalent a senzoruluiDin reprezentarea grafic a dependenei (a) (figura x.3.a) se observ c o valoare mrit a rezistenei suplimentare Rk restrnge domeniul de variaie al raportului celor dou rezistene, deci micoreaz sensibilitatea senzorului, dar liniarizeaz caracteristica de funcionare a acestuia. Liniaritatea relaiilor caracteristice ale senzorului: R=aRt sau R=C poate fi afectat i de utilizarea unui suport necircular sau prin dispunerea excentric a axului rotitor, ns este afectat n principal de variaia n trepte a rezistenei senzorului, la parcurgerea nfurrii de ctre cursor din spir n spir (figura x.3.b). La un moment dat cursorul se poate afla n contact direct cu un singur conductor sau simultan cu dou conductoare. Dac n este numrul total de spire ale nfurrii, rezistena corespunztoare unei poziii a cursorului este:

[x.5]

a.

b.Fig. x.3

a. Dependena (a) la senzorul poteniometric b. Caracteristica de transfer R(a)Abaterea de la valoarea ideal aRt (eroarea relativ de discontinuitate) este:

[x.6]

Valoarea minim a erorii apare la captul cursei, fiind numit factor de treapt:

Dac pe carcasa inelar a unui senzor poteniometric sunt dispuse 3600 de spire (numrul maxim utilizat n general), se obine un factor de treapt 1/7200=0.014%.

Valorile rezistenei senzorilor poteniometrici sunt n general cuprinse ntre 1k i 100k, dar pot atinge uneori chiar civa M. De obicei, nu se impune o precizie ridicat asupra valorii acestei rezistene n circuitele de msurare n care semnalul depinde doar de raportul R/Rt; toleranele rezistenelor sunt, n general, de 20% sau 10%.

In ceea ce privete liniaritatea senzorului, ea poate fi afectat de neomogeniti n structura sau compoziia materialului elementului sensibil ori de mici neregulariti ale dimensiunilor.

Senzorii poteniometrici pot fi conectai n circuitele specifice de msurare a rezistenelor. Cel mai utilizat este montajul poteniometric (figura x.4). Senzorul poteniometric, avnd rezistena total R i lungimea nfurrii l, este alimentat cu tensiunea U. Dac l1 este poziia la un moment dat a contactului mobil (R1 i R2 fiind rezistenele de o parte i de alta a acestuia), tensiunea obinut la ieire va fi:

Cum nfurarea senzorului este uniform:

Fig. x.4 Circuit de msurare poteniometric pentru senzori poteniometrici

Se obine o dependen perfect liniar ntre tensiunea de ieire i deplasare. In aplicaii practice, la ieirea circuitului se conecteaz un instrument sau un amplificator de msurare. Dac RS este rezistena echivalent a acestuia, divizarea tensiunilor se realizeaz conform relaiei:

Dependena tensiune de ieire deplasare n acest caz este neliniar, neliniaritatea fiind cu att mai accentuat cu ct rezistena RS are o valoare mai mic fa de rezistena total a poteniometrului.

x.1.2. Tipuri constructiveIn prezent se construiesc senzori poteniometrici de tip spiralat cu factori de treapt foarte mici. Structura de principiu a unui asemenea senzor este prezentat n figura x.5. La rotirea axului 1, piulia 2 nainteaz i mpinge n canalul elicoidal 4 (care are acelai pas cu al nfurrii elicoidale 5) contactul mobil C. Acesta se va deplasa pe spirala nfurrii rezistive a senzorului. Pe acest principiu, cu un senzor cu 40 de spirale se obine un factor de treapt de numai 0.0007%.

Fig. x.5 Senzor poteniometric spiralat

Cum una din cele mai frecvente aplicaii ale senzorului poteniometric circular o constituie transmisia la distan a unghiului de rotaie a indicatoarelor diferitor aparate de msurare, construcia sa urmrete micorarea la minim a momentului de frecare.

O variant constructiv deosebit o reprezint senzorul poteniometric cu tub inelar (figura x.6). Acesta const dintr-un tub inelar din sticl 1, care poate fi rotit prin aciunea mrimii neelectrice de msurat. In interior sunt fixate dou fire din platin 2, 3, care n funcie de poziia tubului sunt mai mult sau mai puin scurt-circuitate de mercurul care ocup jumtate din volumul tubului (4). Suma rezistenelor active rmne aceeai indiferent de poziia tubului. Fa de senzorul poteniometric cu cursor, acesta are avantajul unui contact sigur, protejat contra oxidrii, dar prezint i dezavantajul unei sensibiliti ridicate la vibraii.

Fig. x.6 Senzor poteniometric cu tub inelar

Pentru aplicaii speciale se utilizeaz senzori poteniometrici cu caracteristic neliniar (de exemplu sinusoidal sau ptratic). Aceste caracteristici se pot obine prin diverse metode: prin realizarea unei carcase profilate a senzorului (figura x.7.a,b), prin utilizarea unor rezistene n paralel cu nfurarea senzorului (figura x.7.c) sau prin nfurarea neuniform a firului rezistiv.

a.

b.

c.

Fig. x.7 Senzori poteniometrici cu caracteristic neliniar

Una din aplicaiile uzuale ale senzorilor poteniometrici este msurarea nivelului la lichide. Diferite firme realizeaz nivelmetre cu plutitor i traductor poteniometric. Un exemplu este prezentat n figura x.8, n care senzorul poteniometric este introdus ntr-un circuit de msurare de tip poteniometric, alimentat cu tensiunea continu U. Contactul mobil al senzorului este acionat de un plutitor (1) aflat la suprafaa lichidului al crui nivel se msoar. Valoarea tensiunii de ieire depinde astfel de nivelul H de msurat. In cazul montajului de msurare poteniometric, trebuie avute n vedere influenele rezistenei interne a sursei de alimentare (Rs) i rezistenei de intrare a instrumentului de ieire (Ri). Rezistena Rs reduce sensibilitatea circuitului, dar nu afecteaz liniaritatea atunci cnd Ri>>R. In schimb, liniaritatea este cu accentuat cu ct raportul R/Ri este mai mare.

Fig.x.8 Nivelmetru cu senzor poteniometric - dispozitiv poteniometricSe realizeaz i dispozitive la care instrumentul de ieire (IE) este un logometru (figura x.9). In acest caz, variaiile de nivel sunt transformate, prin intermediul plutitorului 1, lanului de transmisie 2, roii 3 i contragreutii 4, n variaii unghiulare; acestea sunt transmise prin angrenajul 5 la cursorul senzorului rezistiv 7. Deplasarea cursorului de-a lungul nfurrii senzorului poteniometric 6 determin modificarea raportului curenilor I1 i I2 prin nfurrile logometrului indicator 8. In principiu, logometrul se poate etalona direct n valori ale nivelului, indicaia lui fiind independent de valoarea tensiunii auxiliare de alimentare (E).

Fig.x.9 Nivelmetru cu senzor poteniometric - dispozitiv cu logometru

Exist, de asemeni, senzori poteniometrici care folosesc n locul firului bobinat pe suport o pist conductoare. Aceti senzori au o rezoluie superioar senzorilor cu fir bobinat, limitat doar de structura granular a materialului pistei. In plus, inconvenientele datorate deplasrii cursorului mecanic pe pista conductoare (uzur, zgomot, cuplu de antrenare) pot fi practic eliminate nlocuind cuplajul mecanic ntre axa mobil i pista rezistiv printr-un cuplaj optic sau magnetic.

2

R

R

Rk/2

Rk/2

Rt

EMBED CorelDraw.Graphic.8

=0

=0.2

=0.5

=1

=2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

2

4

6

8

10

Rt

a

Rt/2n

aRt

RS

R1

R2

U

U1

l1

R

1

2

3

5

C

4

1

2

3

4

R1

R2

R3

R4

R5

IE

U

U1

R

H

1

+

-

E

I1

I2

1

4

3

5

6

7

2

H

1

_1017043393.unknown

_1017049762.unknown

_1017492131.unknown

_1017500268.unknown

_1021736022.unknown

_1017492390.unknown

_1017491272.unknown

_1017055353.unknown

_1017049325.unknown

_1017049534.unknown

_1017043509.unknown

_1017042630.unknown

_1017043374.unknown

_1017041868.unknown