مطالب ارائه شده در فصل های قبل همه در برگیرنده نقس سنسورها در صنعت و خصوصاً در اتومبیل های امروزی که بسیار حائز اهمیت هستند و سنسورهای ارائه شده در فصول قبل هر کدام با قیمت اتومبیل های روز دنیا از آنجا استفاده می شود . حتی از سنسورهای شیمیایی در خودروهای نظامی کاربرد وسیعی دارد.
اندازه گیریهای جابه جایی اشیاء در علوم کاربردی از اهمیت اساسی برخوردار است و پایه اندازه گیری سرعت، شتاب ، کشش (با استفاده از عناصر قابل ارتجاع) ، نیر و فشار است. اندازه گیری جابه جایی در حالت جابه جایی چرخشی نیز مانند جابه جایی انتقالی قابل اندازه گیری است. قوانینی که مبنای عمل سنسورهای جابه جایی هستند در هر دو مورد جابه جایی خطی و حرکت چرخشی صدق می کنند. به همین دلیل هر دو نوع اندازه گیری، به موازات هم مورد بررسی قرار می گیرند.
پتانسیومترها
پتانسیومترها عموماً شامل عنصر مقاومتی است که یک اتصال متحرک لغزان در آن تعبیه شده است. شکل اولیه پتانسیومتر شامل مقاومتی است که از سیم با مقاومت زیاد، مانند نیکروم تشکیل شده و روی پایه مناسبی از جنس عایق پوشیده شده است. اتصال متحرک عبارت است از بازوی متحرکی که می تواند روی مسیر مقاومتی بلغزد. بنابراین بین یک انتهای مسیر سیم پیچی شده و اتصال لغزان، مقاومت متغیری بوجود می آید. حرکت اتصال لغزان می تواند خطی، چرخان و یا ترکیبی از آن دو مثلاً به شکل مارپیچی باشد. پتانسیومترهای حرکت انتقالی (که اصطلاحاً خطی نیز گفته می شوند) دارای بستر لغزش mm 1000 - 5 هستند. پتانسیومترهای گرد دارای فاصله انحراف از 10 تا 60 دور می باشند ( 20000 <).
خطی بودن پتانسیومتر
(تصاویر و فرمول ها در فایل اصلی قابل مشاهده است)
اگر مقاومت پتانسیومتر نسبت به جابه جایی اتصال لغزنده آن، خطی باشد (شکل 12 – 1 را ببینید) ، در شرایطی که ولتاژ eex ولتاژ تحریک اعمال شده به پتانسیومتر بوده و
خروجی پتانسیل مدار باز بوده و جریانی که از آن کشیده نشود ولتاژ خروجی e0 تابعی خطی از جابه جایی xi است. اما، چون هر مداری که به خروجی پتانسیومتر وصل می شود عملاً دارای امپدانس ورودی بی نهایت نیست و مقداری جریان از پتانسیومتر می کشد، لذا با اتصال خروجی پتانسیومتر خطی به هر مداری، تا حدودی مشخصات خطی بودن پتانسیومتر کاهش می یابد. شکل 12-1پ2 وضعیت فوق را نشان می دهد. از تحلیل ساده مدار نتیجه می گیریم که :
در شرایط ایده آل برای مدار باز داریم 0 = Rp/Rm و همانگونه که در شکل (3 12-)
مشاهده می شود رابطه بین e0 و xi یک رابطه اگر Rp=RM باشد، ماکزیمم انحراف از خطی بودن حدود 12% است. اگر Rm RP=10% باشد، خطا به 1.5% کاهش می یابد. برای مقادیری از Rp و Rm که Rp/Rm<0.1 محل خطای بیشینه در ناحیه ای است که xi/xt=0.67 و خطای ماکزیمم تقریباً 15Rp/Rm% از مقیاس کامل است.
برای اینکه خطی بودن پتانسیومتر حفظ شود بایستی امپدانس Rm مداری که به پتانسیومتر وصل می شود در مقایسه با امپدانس Rp پتانسیومتر که تا حد ممکن بایستی کوچک انتخاب شود، به مقدار کافی بزرگ باشد، متأسفانه ضرورت فوق با حساسیت زیاد پتانسیومتر در تناقض است. چون خروجی e0 مستقیماً متناسب با ولتاژ تحریک eex است، ابتدا به نظر می رسد که با اضافه کردن eex می توان هر خروجی مورد نظر را به دست آورد. اما پتانسیومترها دارای میزان توان مشخصی هستند که با توانایی اتلاف حرارتی آنها تعیین می شود. اگر اتلاف حرارتی در محدوده H وات باشد، ماکزیمم ولتاژ تحریک مجاز عبارت است از :
بنابراین، مقادیر کم Rp مقادیر کوچک eex را به دست می دهد و نتیجتاً حساسیت کاهش می یابد. برای انتخاب Rp بایستی مصالحه ای بین بارگذاری و حساسیت انجام می گیرد چون هرچه بارگذاری بیشتر شود حساسیت کاهش می یابد و بالعکس.
ریزولوشن پتانسیومتر
ریزولوشن پتاسیومتر بستگی به شکل و نوع عنصر مقاومتی آن دارد. در یک پتانسیومتر سیم پیچی شده (اصطلاحاً پتانسیومتر سیمی یا Wirewound ) . همانگونه که د شکل (4 - 12) مشاهده می شود، هم زمان با حرکت برشی لغزنده پتانسیومتر از یک دور سیم مقاومت به دور سیم بعدی، مقاومت نیز به طور پله ای افزایش می یابد. بنابراین در پتانسیومترهای ردیفی ماکزیمم ریزولوشن قابل دسترسی حدود است.
پتانسیومترهایی که از جنس لایه کربنی، کرمت (Cermet) (مخلوط سرامیک و مواد فلزی) و یا پلاستیک هادی (مخلوطی از رزین پلاستیک و پودر فلزی هادی) ساخته
شده اند نسبت به پتانسیومترهای سیمی دارای ریزولوشن بالاتری هستند ولی مانند آنها سیم پیچهای ضخیم ندارند. این نوع پتانسیومترها غالباً به عنوان پتانسیومترهای با ریزولوشن بی نهایت توصیف می شوند، چون عنصر مقاومتی دارای سطح صافی است که لغزنده روی آن به طور پیوسته و بدون قطع شدن جابه جا می شود، عملاً نمی توان ریزولوشن پتانسیومترهای فوق را اندازه گیری و مقدار دهی کرد چون انحراف e0 نسبت به خط مستقیم ایده آل دارای مقدارهایی تصادفی است (برخلاف استپهای خروجی قابل تکرار در مورد پتانسیومترهای سیمی). کمیتی را که معمولاً برای مشخص کردن میزان همواز بودن خروجی ذکر می شود نسبت دامنه ماکزیمم تغییرات اتفاقفی به eex با 0.1% نسبت به مقدار نمونه است. مسئله دیگر در مورد پتانسیومترهای غیرسیمی آن است که این نوع پتانسیومترها نمی توانند جریانهای عبوری زیاد را تحمل کنند. این امر باعث کاهش حساسیت می شود.
راه حل مناسب، استفاده از پتانسیومترهایی است که به پتانسیومترهای هیبرید موسومند، که در این پتانسیومترها یک لایه از پلاستیک هادی روی سیم پیچ در راستای محور ریخته شده است. این پتانسیومترها مزیتهای هر دو نوع پتانسیومتر را در خود دارند اما قیمت آنها بالاتر است.
مسائل نویز الکتریکی در پتانسیومتر ها
عامل اصلی نویز در پتانسیومتر ها نوسانات ولتاژ به خاطر لرزش لغزنده پتانسیومتر، کثیف شدن اتصال لغزنده به پتانسیومتر و فرسوده شدن اتصال لغزنده و یا پتانسیومتر است. عبارت نویز غالباً در مورد اثرات ریزولوشن به کار می رود. نباید فراموش شود که در کاربردهای دینامیکی هر پتانسیومتری به دلیل اینرسی و اصطکاک قسمتهای متحرکش دارای اثرات بارگذاری مکانیکی معینی است. این امر روی مشخصه حرکت پتانسیومتر تأثیر می گذارد. در پتانسیومتر سیمی ممکن است اتصال لغزنده در سرعتهای معینی وقتی از روی حلقه سیمهای پتانسیومتر می گذرد، دارای پرشهای و قطع و وصلهای تصادفی باشد و باعث قطع و وصل متناوب مدار پتانسیومتر شود. این پدیده مخصوصاً در مواردی که سرعت لغزنده و فاصله بین مراکز دو مقطع متوالی سیمها به گونه ای باشد که نیروی تحریکی برابر و یا نزدیک به فرکانس پایه لرزش بازوی فلزی به پتانسیومتر اعمال شود مشکل ایجاد می کند. یکی از راه حلهای این مشکل که روش مناسبی نیز هست، استفاده از کنتاکت پتانسیومتر دو قسمتی و یا بیشتر است که هر قسمت دارای فرکانس تشدید مخصوص به خود باشد. بنابراین، اگر قسمتی از کنتاکت در فرکانس تشدید قرار گیرد، کنتاکت دیگر ساکن بوده و باعث اتصال خوب و مناسب خواهد شد.