تعیین موقعیت یک جسم در غالب سیستم‌های کنترل، مورد توجه زیادی است. بعنوان مثال دستگاههای اتوماتیک نصب قطعات، با استفاده از روبات‌ها، نیاز به تعیین دقیق موقعیت دارند. دستگاههای تراش، فرم دادن و سوراخ کردن قطعات ماشین همانند حرکت هد یک دیسک درایو کامیپوتر و یا حرکت قلم در یک دستگاه رسم احتیاج به کنترل و بنابراین اندازه‌گیری موقعیت دارند.
کنترل ضخامت یک فیلم و یا مقدار افزایش ابعاد یک قطعه در اثر حرارت، احتیاح به اندازه‌گیری موقعیت با قدرت تشخیص خیلی کمتر از یک میلی‌متر دارد. بررسی فوندانسیون یک ساختمان چند طبقه نیز احتیاج به اندازه‌گیری جابجائی با دقت‌های مشابه اما در بازه چند صد متر خواهد داشت. در جهان تکنیک، دانستن موقعیت، یک پارامتر مهم بشمار می‌آید.
تکنیکهای اندازه‌گیری موقعیت متفاوت هستند. در این دوره با سه تکنیک آشنا خواهید شد. اول پتانسیومترها که ارزان قیمت بوده و استفاده از آنها آسان است، دوم ترانسفور‌مرهای دیفرانسیلی خطی (LVDT) که برای آشکار سازی جابجائی‌های خیلی کوچک است، و سوم اینکودرهای نوری که دارای عمر خیلی بالایی بوده و در عین حال بسادگی به کامپیوتر متصل می‌شوند.
پتانسیومترها
پتانسیو‌متر‌هایی که برای اندازه‌گیری جابجائی استفاده می شوند، از نظر شکل مشابه آنهائی هستند که ممکن است، برای تنظیم هر وسیله الکتریکی و یا الکترونیکی استفاده بشود. هر چند دقت فوق‌العاده بیشتری برای تولید پتانسیومترهای مورد استفاده در اندازه‌گیری جابجائی انجام می‌شود.
پتانسیومترهای خطی برای اندازه‌گیری جابجائی خطی و پتانسیومترهای دورانی برای اندازه‌گیری جابجائی دورانی در دسترس هستند. شکل ساختمانی آنها بصورت شکل زیر است.
جابجایی زاویه‌‌ای حتی با رنج کامل 10o نیز در دسترس است. یک پتانسیومتر تک دور قابلیت اندازه‌گیری دقیق تا 357O را دارد. پتانسیومترهای چند دور می‌توانند تا 3500Oگردش را اندازه‌گیری کنند. این امکان با استفاده از مقاومت حلزونی شکل در بدنه بوجود می آید. اتصال الکتریکی متحرک پتانسیوتر ، دور و بالای قسمت حلزونی شکل حرکت می کند.
قسمت مقاومتی پتانسیومتر می‌تواند از سیم پیچ مقاومتی باشد. یک سیم خیلی نازک از جنس پلاتینیوم یا نیکل بدقت بر روی یک قرقره پیچیده می‌شود. همان طور که ذغال از یک حلقه به یک حلقه دیگر حرکت داده می‌شود، مقاومت بین این ذغال و طرفین مقاومت تغییر می‌کند. کوچکترین تغییر قابل تشخیص در موقعیت ( قدرت تفکیک ) وقتی اتفاق می‌افتد که ذغال از یک حلقه به حلقه بعدی تغییر مکان بدهد. بنابراین رابطه ریاضی قدرت تفکیک بصورت زیر بدست می‌آید:
مثال 1 - لازم است موقعیت یک صفحه را اندازه بگیریم. این صفحه حداکثر 0.8 متر حرکت می‌کند و موقعیت آن تا 0.1cm بایستی معلوم بشود. قسمتی از مکانیزمی که صفحه را به حرکت در می‌آورد میله ای است که 250O می‌چرخد البته در صورتی که صفحه از یک وضعیت انتهایی به وضعیت انتهایی دیگر جابجا شود. یک پتانسیومتر کنترل با مشخصات ماکزیمم دوران300O و 1000 دور سیم پیچ موجود است. آیا می‌توان از این وسیله استفاده کرد؟
حل ـ میله یک تبدیل
را می‌دهد. قابلیت تشخیص 0.1cm برای صفحه مساوی با 0.1 cm 3.125O/cm = 0.3125O
بنابراین بایستی پتانسیومتر از این قابلیت برخوردار باشد. قابلیت تشخیص پتانسیومتر عملا مساویست با.
پس پتانیو‌منتر یک گردش 0.3O را می‌تواند تشخیص دهد که قدرت یا قابلیت تشخیص بهتری از مقدار لازم 0.3125o است. بنابراین پتانسیومتر کار می‌کند.
اگر شکل بدنه قرقره که بر روی آن سیم‌پیچی انجام شده است یکنواخت باشد، رابطه ای خطی مابین موقعیت ذغال و ولتاژ خروجی بدست می‌آید. هر چند چنانچه شکل بدنه تغییر کند تابع انتقال غیر خطی مشابه با آنچه که در شکل2 دیده می‌شود بوجود خواهد آمد.
شکل 2 – انواع معمول شکل بدنه ها
توابع استاندارد متعددی موجود هستند، همچنین می‌توان رابطه مورد نظر را برای رابطه بین ولتاژ و موقعیت تولید کرد. از این روابط غیر خطی می‌توان برای جبران غیر خطی بودن عمل اندازه‌گیری و یا بوجود آوردن یک تابع خاص برای روش کنترل بدون استفاده از روابط ریاضی، الکترونیک و یا کامپیوتر استفاده نمود. توابع استاندارد در شکل 3 نشان داده شده‌اند.
شکل 3 – انواع معمول تغییرات غیر خطی مقاومت پتانسیومتر ها
در حین ملاحظه این دیاگرامها توجه داشته باشید که آنچه مشاهده می‌کنید ولتاژ خروجی است وقتی پتانسیومتر بطور پیوسته از یک انتها به انتهای دیگر حرکت می‌کند است. پتانسیومترهای پیوسته، دارای بدنه ای از نوع ، فیلم کربن، فیلم فلزی، پلاستیک هادی و یا فلز سرامیکی هستند. این پتانسیومترها مزایای متعددی نسبت به نوع سیم‌پیچی‌شده دارند. اول اینکه، قابلیت تشخیص آنها خیلی بیشتر است، زیرا تعداد محدودی سیم‌پیچ دور یک قرقره نیست. چون ذغال در طول یک مسیر صاف یا هموار حرکت می‌کند (از یک دور به دور دیگر نمی پرد)، خوردگی، حرکت‌های بی‌مورد و نتیجتاً خرابی کمتری دارد. سرعت ماکزیمم چرخش پتانسیومترهای سیم‌پیچ‌شده حدود 300 دور در دقیقه است. که بالاتر از آن، نویز حاصل از حرکت و جابجایی ذغال ممکن است بیش از حد شود. یک پتانسیومتر پیوسته را می‌توان تا سرعت 2000 دور در دقیقه چرخانید.
لازم است تعدادی از مشخصه‌های متفاوت الکتریکی را برای فهم و انتخاب پتانسیومتر بدانیم. این مشخصه‌ها عبارتند از: قدرت تفکیک پذیری (جابجایی، ولتاژ،از نظر تئوری) قابلیت خطی بودن/ پیوستگی (بر مبنای پایه، بر مبنای صفر، غیر وابسته)، تلرانس مقاومت، موقعیت سرها، توانایی قدرت، نویز، گشتاورهای راه‌اندازی و چرخش، ممان اینر‌سی. مشخصه‌‌ی ac ،جابجایی الکتریکی بیش از حد.
در بخش اول در مورد قابلیت تفکیک پذیری و خطی بودن صحبت شد. چون بیشتر پتانسیومترها برای تولید ولتاژ استفاده می‌شوند، اهمیت دقت مقاومت آنها به اندازه اهمیت داشتن دقت ولتاژ ارائه شده توسط پتانسیومتر نیست. هر چند، بایستی توانایی قدرت و توان، درجه حرارت محیط کار و حرارت داخلی ایجاد شده به دقت ملاحظه شوند. روابط و نقش این پارامتر‌ها در مثال 11ـ3 نشان داده شده‌است.
مثال 2- یک پتانسیومتر کنترلی دارای مشخصات زیر است: 150 Ω، (به ازای هر یک درجه بالای 65oC، 10 mW/oC از توانایی اش کم می شود)1W ، مقاومت گرمایی 30oC/W ، آیا می‌توان از آن در ولتاژ 10 ولت تغذیه و درجه حرارت محیط تا 80 درجه سانتیگراد استفاده کرد.
حل ـ قدرت تلف‌شده بوسیله پتانسیومتر مساوی است با:
حرارت واقعی پتانسیومتر بستگی به درجه حرارت محیط و افزایش حرارت در نتیجه توان تلف شده در پتانسیومتر دارد. (گرم شدن خودی). مقدار توان تلف شده مجاز، بایستی به ازای هر درجه بالاتر از 65oC ، 10 mW کم شود.
درنگاه اول به نظر می‌رسد که قدرت تلف شده توسط پتانسیومتر خیلی کمتر از 1W قدرت نامی‌‌اش است. ولی وقتی که توان مجاز را به دلیل افزایش درجه حرارت و به حساب آوردن خود‌گرم شدن کاهش می دهیم، حداکثر مقدار مجاز آن 650 mW به دست می‌آید که کمتر از mW667 می‌شود. در نتیجه این پتانسیومتر قابل استفاده نیست.
ممکن است نویز بوسیله ماده استفاده شده در ساختمان پتانسیومتر تولید شود. چندین مکانیزم با هم ترکیب می‌شوند، هر چند تمام آنها یا بستگی به حرارت و یا بستگی به جریان دارند. برای مینیمم نمودن نویز تولید شده، می‌بایست ولتاژ منبع را تا حد امکان کاهش داد. نویز همچنین به علت پرش ذغال نیز تولید می‌شود. پتانسیومترهای پیوسته را می‌توان سریع‌تر چرخانید و نویز کمتری از پتانسیومترهای سیمی تولید می‌کنند.
پتانسیومترهای سیم‌پیچی‌شده، از خود خاصیت سلف سری و ظرفیت خازنی بین سیم‌پیچ ها نشان می دهند.
در فرکانس HZ60 این راکتانس ممکن است چندین مگااهم باشد. اما اگر پتانسیومتر را با موج سینوسی در فرکانس KHZ10 تغذیه کنید، این راکتانس به چندین کیلو‌اهم کاهش می‌یابد. اگر از تحریک ac استفاده می‌کنید، هر دو کمیت فرکانس و مقاومت پایه را در کمترین مقدار عملی‌اش نگه‌دارید.
جابجایی الکتریکی بیش از حد (Electrical overtravel ) در حقیقت به این واقعیت اشاره دارد که ممکن است ترمینالها دقیقا در دو طرف بدنه قرار نداشته باشند. این بدین معنی است که وقتی ذغال به ترمینال رسید، ممکن است شافت باز هم چرخانده شود،اما ولتاژ خروجی تغییری نخواهد کرد.
چندین طریق برای اتصال پتانسیومترها در مدارهای کنترلی موجود است. ساده‌ترین روش ولتاژ تغذیه ترتیبی است که زمین مشترکی بین ورودی و خروجی موجود باشد. این موضوع در شکل 4a نشان داده شده است. در این حالت در صورت پائین آورده شدن کامل ذغال، ولتاژ خروجی صفر نیز قابل دسترسی خواهد بود. همچنین امکان دست یافتن به ولتاژ منبع در صورت قرار گرفتن ذغال در انتهای بالائی نیز وجود دارد. شکل 4b را ببینید. این ترکیب، برای مواقعی مفید است که ذغال به دو انتهای پتانسیومتر برده نشود. تنظیم صفر، اجازه می‌دهد تا ولتاژ صفر در هر موقعیتی از پتانسیومترها قابل دسترسی باشد. به همین ترتیب، تنظیم ولتاژ رنج کامل، امکان تنظیم ولتاژ خروجی را در هر سطح دلخواهی، وقتی که ذغال در بالاترین مقدار خودش است می‌دهد. در این حالت خاص، تکرار تنظیمات برای تنظیم دقیق‌تر مورد نیاز است زیرا این تنظیم‌ها بهم وابسته هستند.
شامل 60 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود مقاله ترانسدیوسرهای موقعیت