1. استاد جناب آقای دکتر شمقدری
بسمه تعالی
مکاترونیک پتانسیومتر
پیمان نخ‌ساز
استاد جناب آقای دکتر شمقدری
دانشکده مهندسی برق
دانشگاه علم و صنعت ایران
نیم سال دوم 94-95

2. «موضوع ارائه» پتانسیومتر سرفصل مطالب

3. سرفصل مطالب لیست مراجع لیست مراجع مفید کاربردهای اصلی اصول عملکرد
نحوه استفاده کاربردی از آن
مشخصه های اصلی
محدودیت ها
سایر اطلاعات

4. «پتانسیومتر» لیست مراجع

5. Modern Control Technology components and systems kilian
لیست مراجع
Modern Control Technology components and systems kilian
Sensor Technology Handbook ,Editor-in-Chief Jon S. Wilson
Control of a Ball and Beam System Wei Wang School of Mechanical Engineering The University of Adelaide South Australia 5005 AUSTRALIA

6. «پتانسیومتر» لیست مراجع (برای مطالعه بیشتر)
«پتانسیومتر» لیست مراجع (برای مطالعه بیشتر)

7. لیست مراجع (برای مطالعه بیشتر)
course in the STEP 2000 series, Siemens Technical Education Program,
HANDBOOK OF
MODERN SENSORS PHYSICS, DESIGNS, and APPLICATIONS T h i r d E d i t i o n JACOB FRADEN Advanced Monitors Corporation San Diego

8. «پتانسیومتر» کاربردهای اصلی
«پتانسیومتر» کاربردهای اصلی

9. کاربردها
از پتانسیومتر را میتوان به عنوان تبدیل کننده ی فاصله ی خطی به ولتاژ بهره گرفت. پتانسیومتر به تنهایی تنها میتواند مقاومت را نشان دهد ، با این وجود این مفدار مقاومت را میتوان به ولتاژ تبدیل نمود. پتانسیومترهایی که به عنوان سنسور موقعیت استفاده میگردند از مکانیزم یکسانی با "ولوم کنترل صدا" استفاده میکنند با این تفاوت که در ولوم کنترل صدا ، مقاومت به صورت غیرخطی تغییر مینماید تا ب اصطلاح "صدا بلندتر گردد" . در پتانسیومتر مورد استفاده در اندازه گیری موقعیت دورانی، مقاومت به صورت خطی با دوران شفت تغییر خواهد کرد.

10. اصول عملکرد
شکل زیر نشاندهنده ی نحوه ی عملکرد پتانسیومتر را نشان میدهد. ماده ی مقاومتی همانند پلاستیک رسانا (با حضور دو پایانه ی A و C در انتهای آن) به شکل حلقه در آمدهاست . این ماده مقاومت بسیار یکنواختی دارد ، به طوری که مقدار ohms/inch در تمام طول آن ثابت میباشد.

11. اصول عملکرد
محل اتصال به شفت Slider و یا Wiper نام دارد که با حرکت بر روی محیط مقاومت ، توسط ترمینال B مقدار آن را میخواند. شکل زیر شماتیک مدار را نشان میدهد. پتانسیومتری را که تاکنون شرح دادیم یک نوع تک دور میباشد، که تنها در حدود 350درجه بازه ی مفید آن میباشد. از پتانسیومتر تک دور را تنها در هنگامی که دوران موتور کوچکتر مساوی 350 درجه میباشد ، میتوان استفاده نمود.

12. نحوه استفاده کاربردی از آن
شکل زیر پتانسیومتری را نشان میدهد که موقعیت زاویهای بازوی ربات را اندازه میگیرد. در این مورد، بدنه ی پتانسیومتر به صورت ثابت نگه داشته شده و شفت آن مستقیماً به شفت موتور متصل شده است. بین ترمینالهای انتهایی پتانسیومتر 10 ولت اختلاف پتانسیل اعمال گردیده و ولتاژ همانطور که در شکل زیر مشاهده میکنید از 0 تا 10 ولت در طول مقاومت در حال تغییر خواهد بود. Wiper تنها اختلاف پتانسیل میان ترمینال متصل به شی و رمین را خواهد خواند. میان صفر تا 350 درجه ، این Wiper ولتاژی در بازه ی [0,10] ولت را خواهد خواند.

13. نحوه استفاده کاربردی از آن
با توجه به خطی بودن تغییرات ولتاژ نسبت به تغییرات زاویه ، برای محاسبهی ولتاژ در یک زاویه خاص ، تابع تبدیل کننده را در زاویه ضرب مینماییم:
مدار پتانسیومتر توصیف شده با فرض اینکه تنها مقسم ولتاژ باشد ، طوری میبایست طراحی شود که جریان عبوری از تمام مقاومت پتانسیومتر یکسان باشد. زمانی که بازوی Wiper متصل شده به مدار ، با مقاومت (که خیلی از مقاومت پتانسیومتر بیشتر نمیباشد) همراه باشد ، خطای بارگذاری رخ خواهد داد. در این صورت با گذشتن جریان از بازوی Wiper سبب ایجاد خطا در مقدار قرائت شده میباشد. برای حل این مشکل ، یک مدار بافر با امپدانس بسیار بالا طراحی نموده و بین پتانسیومتر و مدار مورد نظر قرار دهیم.
خطای بارگذاری همان تفاوت بین ولتاژ خروجی بدون بار و با بار میباشد:
Loading error = VNL – VL

14. مشخصه های اصلی
در شکل اول (با استفاده از تقویت کنندهی عملیاتی ) با حضور مقاومت بسیار بالا در بازوی Wiper مقدار قرائت شده بدون خطا خواهد بود . در صورتی که در شکل دوم با حضور مقاومتی نهچندان بزرگتر از مقاومت پتانسیومتر ، مقدار قرائت شده با مقدار حقیقی متفاوت خواهد بود.
بدون خطای بارگذاری
Loading Error= 5V-4.88V=0.12V

15. مشخصه های اصلی
در اکثر کاربردهای پتانسیومتر ، حرکت دورانی کلی را کمتر از یک دوران کامل اندازه میگیرند. با فرض اینکه بازویی در اختیار داریم که تنها 90 درجه قابلیت دوران دارد.برای داشتن کمترین نرخ خطا ی متوسط میبایست از نهایت بازه ی پتانسیومتر استفاده کنیم، حال با استفاده از نسبت دنده ی 1 : 3 سبب دوران 270 درجه خواهیم شد در این قسمت میبایست دستورات را در میکروکنترلکننده طوری اعمال کنیم تا متوجه برابری هر 3 درجه دوران پتانسیومتر متوجه دوران 1 درجه در بازو گردد..
از آنجایی که قادر به ساخت پتانسیومتر کربنی به طور کامل خطی نیستیم ، پارامتری به نام خطای خطی را مطرح نموده و آن را از تفاوت نسبی مقدار ایدهآل از مقدار مقاومت حقیقی (R) برای یک پتانسیومتر سنجش موقعیت بدست خواهیم آورد. با توجه به این که این خطا در همه جای پتانسیومتر یکسان نیست و ماکزیموم خطا را با ΔR نمایش میدهند. خطای خطی را ببه صورت درصدی نشان خواهند داد.
ماکزیموم مقدار خطای مقاومتیΔR
مقاومت کل پتانسیومترRtot

16. مشخصه های اصلی
در جایی که پتانسیومتر به عنوان سنسور موقعیت استفاده میشوند ، ولتاژ خروجی مستقیماً با موقعیت زاویهای شفت متناسب خواهد بود، در این صورت خطای خطی را می توان بر حسب زاویه بیان نمود:

17. مشخصه های اصلی خطای خطی تعیین کننده ی دقت(Accuracy) یک سنسور میباشد.
رزولوشن (یا همان کمترین افزایش در مقدار داده که قابل تشخیص یا گزارش توسط دستگاه باشد ) را در سیستم های دیجیتال معمولاً به مقدار کمترین بیت معنیدار (LBS ) نسبت میدهند.
دقت(Accuracy) یک سنسور را در سیستمهای دیجیتال میبایست 0,5 LSB ± در نظر گرفت.

18. محدودیت
خروجی سنسور تشخیص موقعیت میبایست به صورت یک ولتاژ DC پیوسته باشد با این حال Wiper بعضی هنگام سبب ایجاد ولتاژهای گذرا گردد. امکان این رخداد در پتانسیومترهایی با سیم مقاومتی دارای خوردگی با توجه به عدم ارتباط Wiper در بعضی از نقاط ازسیم رخ دهد.
با اعمال فیلتر LOW PASS فیلتر پایین گذر که به صورت خازن متصل به زمین میباشد میتوان این مشکل را بر طرف نمود.
به طوری که خازن تا ولتاژ متوسط پتانسیومتر شارژ شده باقی مانده و از تغییرات ناگهانی ولتاژ ممانعت میکند.

19. محدودیت
در پتانسیومتر تک دور ، هنگامی که Wiper به انتهای دور خود میرسد، وارد اصطلاحاً ((ناحیه ی مرده)) کوچکی خواهد شد. پتانسیومترهای چند جهته موجود به شکل Helix میباشند که از انتها تا انتهای دیگر آنها قادر به پشتیبانی از 25 دور یا بیشتر شفت موتور خواهند داشت.
شکل زیر بیانگر یک پتانسیومتر خطی میباشد . در این نوع از پتانسیومتر Wiper قادر خواهد بود در یک خط راست به جلو و عقب حرکت کند. این از پتانسیومتر برای اندازهگیری موقعیت اشیاء در حال حرکت بر روی خط به کار میروند.

20. استفاده از سیستم پتانسیومتری
سیستم گوی و میله به نام سیستم تعادلی گوی بر روی میله شناخته می شود.
هدف این سیستم کنترل موقعیت توپ برای رسیدن به یک نقطه مرجع مطلوب و ممانعت از اغتشاشات همانند تکان‌دادن های کوچک توپ خواهد بود.
راه اندازی حلقه باز این سیستم ذاتاً ناپایدار و غیرخطی است.

21. استفاده از سیستم پتانسیومتری
در سیستم گوی و میله برای کنترل گوی بر روی میله، اطلاع از موقعیت گوی امری ضروری است. برای این منظور استفاده از حسگرهای مادون قرمز و یا فراصوت می تواند انتخاب مناسبی باشد. اما پس از تحقیق در مورد حسگرهای موجود در بازار مشخص شد که این حسگرها برای این پروژه مناسب نیستند. زیرا این حسگرها دارای زمان پاسخ نسبتا طولانی هستند (حداقل زمان پاسخ ده میلی ثانیه) و نیز برای تشخیصی موقعیت گوی بیش از یک حسگر نیاز بود.
نوع دیگری از حسگرهای تشخیص موقعیت از سیمهای مقاومتی به شکل مسیر میباشند که گوی مورد نظر میتواند بر روی آن حرکت کند. در این حالت مطابق شکل موقعیت گوی را میتوان به وسیله ی محاسبه ی ولتاژ در نقطه ی ولتاژ خروجی سیم ، بدست آورد.
شکل شمایی از سیم مقاومتی استفاده از سی‏‏‎‎‎م مقاومتی به تناسب دارای مقاومت بالایی در حدود ohm/m 150 می‎باشد .در این ساختار، به سبب کوچک بودن سیگنال ولتاژ نمونه برداری (در حد میلی ولت) استفاده از مدار تقویت کننده اضافی ضروری گشته است. از این رو توقع داریم که سیگنال تقویت شده با سطح نویز بالایی همراه باشد که می‎توان با اعمال فیلتر پایین گذر بر این مشکل غلبه نمود.
استفاده از ترانسدیوسر مافوق صوت به سبب اینکه سیگنال ترانسدیوسر شامل نویز با سطح بالا می‎باشد ، برای این سیستم غیر قابل اعتماد خواهد بود.

22. استفاده از سیستم پتانسیومتری
کالیبراسیون حسگر پتانسیومتری
با توجه به شکل سیم مقاومتی استفاده شده برای تشخیص موقعیت از یک وجه توسط ولتاژ 9V تغذیه شده است و سمت دیگر این وجه به زمین مدار متصل گردیده است. در وجه روبرویی این سیم سیگنال را از مقاومت ایجاد سده توسط گوی خوانده می‌شود . سیگنال خوانده شده برای افزایش حساسیت سنسور توسط مدار آورده شده در شکل (3-6) تقویت و فیلتر شده است. در این مدار از تقویت کننده‌ی TL072ACNو رگولاتور LM317BTاستفاده شده است.
رابطه‌ی بین ولتاژ خوانده شده از سیم مقاومتی و ولتاژ تغذیه به صورت رابطه‌ی زیر خواهد بود.

23. استفاده از سیستم پتانسیومتری
شکل تقویت کننده و فیلتر طراحی شده برای پتانسیومتر خطی به عنوان حسگر موقعیت

24. استفاده از سیستم پتانسیومتری
با توجه به پرشهای نوسانی در مقدار نهایی مقدار خوانده شده از سنسور از دستورات زیر در برنامهنئیسی میکروکنترلکننده بهره گرفتهایم . در این دستور مقذار خوانده شده توسط سنسور در هر لحظه را از با اعمال فیلتر پایینگذر به رایانه ارسال خواهد شد.
float Sensor_GetValue() {
static float Last = 0;
float Data = read_adc(0);
float Volt = Data / 255 * 2.56;
float Distance = 1 / Volt * 100;
float Filtered = 0.2 * Distance * Last;
Last = Filtered;
return Filtered; }

25. سایر اطلاعات CLP Absolute Linear Position to 11.5 inches (290 mm)
2.5K K ohms • High Cycle Applications
Factory Automation or Auto Sport Instrumentation
IP65 Protection meas-spec.com'

26. سایر اطلاعات CLP GENERAL
Full Stroke Ranges 0-1 to in. (0-25 to mm)
Output Signal voltage divider (potentiometer)
Linearity see ordering information
Repeatability 0.01 mm
Resolution essentially infinite
Life Expectancy > 25 million cycles
Operating Speed 400 inches (10 M) per second max.
Enclosure Material aluminum
Sensor conductive plastic linear potentiometer
Weight see ordering information
ELECTRICAL
Input Resistance see ordercode
Recommended Maximum Input Voltage 42 VDC
Recommended Operating Wiper Current < 1μA
ENVIRONMENTAL
Enclosure Design IP65
Environmental Sealing O-ring and felt shaft seal
Operating Temperature -40° to 212°F
Vibration up to 10 g to 2000 Hz maximum

27. سایر اطلاعات
CLP

28. سایر اطلاعات
CLP