پتانسیومتر به عنوان سنسور موقعیت

پتانسیومتر به عنوان سنسور موقعیت:
پتانسیومتر را می توان یکی از پرکاربردترین انواع سنسورهای موقعیت دانست؛ زیرا این المان قیمت بسیار پایین و نیز کاربرد بسیار ساده ای دارد.

پتانسیومتر دارای یک اتصال لغزان با یک شفت مکانیکی است که می تواند حرکت زاویه ای (چرخشی) و یا خطی (در نوع لغزنده) داشته باشد.

در پتانسیومتر، مقاومت بین تیغه لغزان و مسیر مقاومتی در اثر حرکت تغییر می کند و می تواند یک سیگنال الکتریکی خروجی را تولید کند.

در یک پتانسیومتر، رابطه نسبی بین محل قرارگیری تیغه لغزان بر روی مسیر مقاومتی و مقدار مقاومت وجود دارد که سیگنال خروجی هم به صورت متناسب با این مقادیر تغییر می کند.

به عبارت دیگر می توان گفت که مقاومت در یک پتانسیومتر متناسب با موقعیت است. در تصویر زیر نمایی از یک پتانسیومتر را می توان مشاهده کرد.

پتانسیومتر ها در بازه وسیعی از اندازه و نیز طراحی های مختلف تولید می شوند. متداول ترین نوع پتانسیومترها، نوع گرد و چرخشی است، اما انواع مسطح با لغزنده خطی نیز موجود هستند.

زمانی که از پتانسیومتر ها به عنوان سنسور موقعیت استفاده شود، جسم متحرک را مستقیما به شفت گردان یا لغزنده پتانسیومتر متصل می کنیم.

اعمال یک ولتاژ مرجع DC به دو پایه ثابت خارجی پتانسیومتر، سبب ایجاد یک المان مقاومتی می شود. سیگنال ولتاژ خروجی، از ترمینال اتصال لغزان گرفته می شود. تصویر زیر نمایی از ساختار داخلی در یک پتانسیومتر را نشان می دهد.

این پیکربندی سبب ایجاد یک مدار از نوع مقسم ولتاژ می شود که متناسب با موقعیت شفت خروجی عمل می کند. بنابراین اگر به عنوان مثال، یک ولتاژ 10 ولت را به المان مقاومتی پتانسیومتر اعمال کنیم، آن گاه بیشینه ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ تغذیه 10 ولت و کمینه ولتاژ خروجی برابر با 0 ولت خواهد بود.

پس تیغه لغزان پتانسیومتر می تواند سیگنال خروجی را از 0 تا 10 ولت تغییر دهد و بر همین اساس مقدار خروجی 5 ولت نشان می دهد که تیغه لغزان در موقعیت وسط یا مرکزی قرار گرفته است.

سیگنال خروجیVout در پتانسیومتر از اتصال تیغه لغزان مرکزی در حال حرکت بر روی مسیر مقاومتی دریافت می شود و با موقعیت زاویه ای شفت پتانسیومتر متناسب است.

در مدار شکل زیر، نمونه ای از یک مدار ساده اندازه گیری موقعیت را می توان مشاهده کرد.

اگر چه مدارات اندازه گیری موقعیت با استفاده از پتانسیومتر، دارای مزایای زیادی مانند قیمت پایین، تکنولوژی ساده و کاربرد راحت هستند، اما این مدارات معایبی مانند دقت پایین، پاسخ فرکانسی محدود، تکرارپذیری پایین و خوردگی در اثر وجود قطعات متحرک نیز دارند.

البته استفاده از پتانسیومتر به عنوان سنسور موقعیت یک عیب بزرگ تر نیز دارد. بازه حرکت تیغه لغزان در این ادوات و در نتیجه سیگنال خروجی به دست آمده، بر حسب اندازه پتانسیومتر مورد استفاده، دارای محدودیت است.

به عنوان مثال، یک پتانسیومتر چرخشی تک دور (Single Turn) معمولا دارای چرخش مکانیکی ثابت، بین 0 درجه تا ماکزیمم 240 یا 330 درجه است.

البته نوع چند-دور (Multi-Turn) پتانسیومترها دارای بیشینه چرخش مکانیکی 3600 درجه (10*360) هستند. اکثر انواع پتانسیومترها، از فیلم کربن برای مسیر مقاومتی خود استفاده می کنند. اما عیب این نوع از پتانسیومترها در نویز بالا و طول عمر مکانیکی پایین این ادوات است.

برای کاربردهای با دقت بالا و نویز پایین این امکان وجود دارد که از المان مقاومتی با پلاستیک رسانا نوع فیلم پلیمری یا سرامیکی استفاده کرد.

این نوع از ادوات دارای مسیر مقاومتی خطی الکتریکی نرم با اصطکاک پایین هستند و به همین دلیل این ویژگی را دارند که نویز بسیار کمی را تولید می کنند و همچنین طول عمر مکانیکی بالاتری دارند.

این ادوات مقاومتی هم دارای دو نوع تک دور و چند دور هستند. کاربرد متداول برای این نوع از سنسورهای موقعیت دقت بالا، در دسته های بازی کامپیوتری، چرخ های فرمان، ربات ها و کاربردهای صنعتی است.