Potențiometrul sau pot este un traductor de deplasare. Acest traductor activ este format dintr-o bobină uniformă de sârmă sau o peliculă de material cu rezistivitate înaltă - cum ar fi carbon, platină sau plastic conductiv - a cărei rezistență este proporțională cu lungimea sa. O tensiune constantă vref este aplicată pe bobină (sau film) folosind o sursă de tensiune DC externă. Semnalul de ieșire al traductorului vo este tensiunea DC între contactul mobil (brațul cursorului) care alunecă pe bobină și un terminal al bobinei, așa cum se arată schematic în figura 6.1a. Deplasarea cursorului x este proporțională cu tensiunea de ieșire:

v₀ = kx (6.1)

Această relație presupune că terminalele de ieșire sunt cu circuit deschis; adică o sarcină de impedanță infinită (sau rezistență în cazul DC prezent) este prezentă la terminalul de ieșire, astfel încât curentul de ieșire este zero. În practica reală, însă, încărcarea (circuitul în care este trimis semnalul pot-ului - de exemplu, circuitul de condiționare, interfațare, procesare sau de control) are o impedanță finită. În consecință, curentul de ieșire (curentul prin sarcină) este nenul, așa cum se arată în figura 6.1b. Tensiunea de ieșire scade astfel la ṽ, chiar dacă se presupune că tensiunea de referință v_ref se menține constantă sub variații de sarcină (adică impedanța de ieșire a sursei de tensiune este zero); această consecință este cunoscută sub denumirea de efect de încărcare a traductorului. În aceste condiții, relația liniară dată de ecuația 6.1 nu ar mai fi valabilă, provocând o eroare în citirea deplasării. Încărcarea poate afecta citirea traductorului în două moduri: prin modificarea tensiunii de referință (adică încărcarea sursei de tensiune) și încărcarea traductorului. Pentru a reduce aceste efecte, ar trebui folosite o sursă de tensiune care nu este grav afectată de variațiile de încărcare (de exemplu, o sursă de alimentare reglabilă sau stabilizată care are o impedanță redusă de ieșire) și circuite de achiziție de date (inclusiv circuite de condiționare a semnalului) care au o impedanță mare de intrare.

FIGURA 6.1 (a) Schema unui potențiometru; (b) sarcina potențiometrului

Rezistența unui potențiometru trebuie aleasă cu grijă. Pe de o parte, este preferat un element cu o rezistență ridicată, deoarece aceasta duce la disiparea de putere redusă pentru o tensiune dată, ceea ce are ca beneficii efecte termice reduse. Pe de altă parte, rezistența crescută crește impedanța de ieșire a potențiometrului și duce la eroarea de neliniaritate de încărcare, cu excepția cazului în care rezistența de sarcină este, de asemenea, crescută proporțional.

Pot-urile cu rezistență scăzută au rezistențe mai mici de 10 Ω. Pot-urile de înaltă rezistență pot avea rezistențe de ordinul a 100 kΩ. Materialele plastice conductive pot oferi rezistențe ridicate - de obicei aproximativ 100 Ω/mm - și sunt din ce în ce mai utilizate în potențiometre. Fricțiunea redusă (încărcare mecanică scăzută), uzura redusă, greutatea redusă și rezoluția crescută sunt avantaje ale utilizării materialelor plastice conductive în potențiometre.

6.2.1 Considerații de performanță

Potențiometrul este un traductor cuplat rezistiv. Forța necesară pentru mișcarea brațului cursor provine de la sursa de mișcare, iar energia rezultată este disipată prin frecare. Această conversie de energie, spre deosebire de conversiile pur mecanice-în-electrice, implică forțe relativ mari, iar energia este pierdută în loc să fie convertită în semnalul de ieșire al traductorului. Mai mult, energia electrică din sursa de referință este, de asemenea, disipată prin elementul rezistor (bobină sau peliculă), ceea ce duce la o creștere nedorită a temperaturii și degradarea bobinei. Acestea sunt două dezavantaje evidente ale unui potențiometru. În pot tip bobină, există un alt dezavantaj, care este rezoluția finită. Selectarea unui potențiometru implică multe considerente. Un factor primar este rezoluția necesară pentru aplicația specifică. Consumul de energie, încărcarea și dimensiunea sunt, de asemenea, factori importanți.

O bobină, în loc de un fir drept, este utilizată pentru a crește rezistența pe unitatea de deplasare a brațului cursor. Însă, în acest caz, contactul cursorului sare de la o spiră la alta. În consecință, rezoluția unui potențiometru de tip bobină este determinată de numărul de spire în bobină. Rezoluții mai bune (mai mici) decât 0,1% (adică 1000 de spirei) sunt disponibile cu potențiometrele bobină. Rezoluții practic infinitezimale (denumite greșit infinite) sunt acum posibile cu potențiometre cu peliculă rezistivă de înaltă calitate care utilizează materiale plastice conductive. În acest caz, rezoluția este limitată de alți factori, cum ar fi limitările mecanice și SNR. Totuși, sunt posibile rezoluții de 0,01 mm cu potențiometre rectilinii bune.

Sensibilitatea unui potențiometru reprezintă variația (Δv_o) în semnalul de ieșire asociată cu o variație mică (Δx) în măsurand (deplasare). Prin urmare, sensibilitatea S este dată de S = Δv_o/Δx sau la limită

Aceasta este de obicei nedimensionalizată folosind valoarea reală a semnalului de ieșire (v_o) și valoarea reală a deplasării (x).

Câteva limitări și dezavantaje ale potențiometrelor ca dispozitive de măsurare a deplasării sunt prezentate mai jos:

1. Forța necesară pentru a deplasa cursorul (împotriva frecării și a inerției brațului) este asigurată de sursa de deplasare. Această încărcare mecanică denaturează semnalul măsurat în sine.

2. Măsurătorile de înaltă frecvență (sau extrem de tranzitorii) nu sunt fezabile din cauza unor factori precum oscilația cursorului, rezistența la frecare și a inerției și tensiunile induse în brațul cursorului și bobina primară.

3. Variații ale tensiunii de alimentare provoacă eroare.

4. Eroarea de încărcare electrică poate fi semnificativă atunci când rezistența de sarcină este scăzută.

5. Rezoluția este limitată de numărul de spire în bobină și de uniformitatea bobinei. Aceasta va limita măsurătorile cu deplasare mică.

6. Uzura și încălzirea (cu oxidare asociată) în bobină sau peliculă și contactul cursorului provoacă degradarea accelerată.

Totuși, există mai multe avantaje asociate dispozitivelor potențiometru, incluzând următoarele:

1. Sunt relativ ieftine.

2. Potențiometrele furnizează semnale de ieșire de înaltă tensiune (impedanță-scăzută), fără a necesita amplificare în majoritatea aplicațiilor. Impedanța traductorului poate fi variată pur și simplu modificând rezistența bobinei și tensiunea de alimentare.

Deși pot-urile sunt utilizate în principal ca traductoare de deplasare, ele pot fi adaptate pentru a măsura alte tipuri de semnale, cum ar fi presiunea și forța, folosind elemente de senzor auxiliare (front-end) adecvate. De exemplu, un tub Bourdon sau burduf poate fi utilizat pentru a converti presiunea în deplasare, iar un element cu pârghie poate fi folosit pentru a transforma forța sau momentul în deplasare.

FIGURA 6.2 (a) un potențiometru optic; (b) circuit echivalent (α = x/L)

6.2.2 Potențiometru optic

Potențiometrul optic, prezentat schematic în figura 6.2a, este un senzor de deplasare. Un strat de material fotorezistiv este în formă de sandwich între un strat de material rezistiv obișnuit și un strat de material conductiv. Stratul de material rezistiv are o rezistență totală Rc și este uniform (adică are o rezistență constantă pe lungimea unitate). Aceasta corespunde cu rezistența bobinei unui potențiometru convențional. Stratul fotorezistiv este practic un izolator electric atunci când nu este proiectată lumină pe el. Deplasarea obiectului în mișcare (a cărei deplasare se măsoară) face ca un fascicul de lumină în mișcare să fie proiectat pe o zonă dreptunghiulară a stratului fotorezistiv. Această zonă activată de lumină atinge o rezistență de Rp, care leagă stratul rezistiv care se află deasupra stratului fotorezistiv și stratul conductor care se află sub stratul fotorezistiv. Tensiunea de alimentare la potențiometru este v_ref, iar lungimea stratului rezistiv este L. Punctul luminos este proiectat la o distanță x de un capăt al elementului rezistiv, așa cum se arată în figura 6.2.

În figura 6.2b este prezentat un circuit echivalent pentru potențiometrul optic. Aici se presupune că la ieșirea potențiometrului este prezentă o rezistență de sarcină R_L, cu tensiunea pe ea fiind v_o. Curentul prin sarcină este v_o/R_L. Prin urmare, căderea de tensiune pe (1- α)Rc + R_L, care este și tensiunea pe Rp, este dată de [(1- α)Rc + R_L] v_o/R_L. Rețineți că α = x/L este poziția fracțională a punctului luminos. Echilibrul de curenți la joncțiunea celor trei rezistoare din figura 6.2b este

Când rezistența de sarcină R_L este destul de mare în comparație cu rezistența elementului Rc, avem Rc/R_L ≃ 0. Prin urmare, ecuația 6.3 devine

FIGURA 6.3 Comportamentul potențiometrului optic la o rezistență mare de sarcină

Această relație este încă neliniară în v_o/v_ref vs. x/L. Neliniaritatea scade, însă, odată cu scăderea Rc/Rp. Acest lucru se vede și din Figura 6.3, unde Ecuația 6.4 este reprezentată pentru mai multe valori ale Rc/Rp. Atunci, pentru cazul Rc/Rp = 0,1, ecuația inițială (6.3) este trasată în figura 6.4 pentru mai multe valori ale raportului rezistență de sarcină. După cum era de așteptat, comportarea potențiometrului optic devine mai liniară pentru valori mai mari ale rezistenței de sarcină.

FIGURA 6.4 Comportamentul potențiometrului optic pentru Rc/Rp = 0,1

Potențiometrul are dezavantaje precum: probleme de încărcare (atât mecanice cât și electrice), viteza limitată de operare, constante de timp considerabile, uzură, zgomot și efecte termice. Multe dintre aceste probleme apar din faptul că este un dispozitiv de „contact” unde cursorul său trebuie să fie în contact intim cu elementul de rezistență al pot-ului și trebuie să fie, de asemenea, o parte integrantă a obiectului în mișcare ale cărui deplasări trebuie măsurate. În continuare, vom lua în considerare câțiva senzori de mișcare fără contact.

6.3 Traductoare cu inductanță variabilă