Потенциометр Советский патент 1983 года по МПК H01C10/10 

Изобретение относится к радиоэле тронике и измерительной технике и может быть использовано fe качестве преобразователя механических воздействий в электрический сигнал, делителя напряжения и т.д. Известен спиральный потенциометр содержащий каркас с реостатной обмоткой, свернутой в спираль, вал, установленный по оси спирали с консольно закрепленным на нём поводком l . . Недостатком данного потенциометра является его различная разрешайщая способность, обусловленная пост янно изменяющимся градиусом перемещения контакта по длине спиральной обмотки и, следовательно, различной линейной скоростью контакта по ней, Наибольшее различие в разрешающей способности имеет место для коль,цевых участков обмотки, так как при одном и том же угле поворота вгша контакт успевает пройти в одном слу чае большую величину сопротивления, чем в другом. Наиболее близким к предлагаемому является потенциометр, содержащий .корпус с диэлектрической подложкой и расположенной на ней спиральной резистивной дорожкой, вал, проходя щий через ось резистивной дорожки с консольно закрепленными на ней двумя параллельными направляющими, на которых установлен с возможностью ра/1иального перемещения относительно оси вала контактодержатель в виде стержня, скользящий одним концом (контактом) по спиральной реэистивной дорожке, а другим - по направляющей .канавке, выполненн1Ой на пластине, установленной на корпусе парал лёльно спиральной резистивной дорожке и являющейся ее зеркальным отобра жением. Оба конца резистивной дорожк имеют токовыводы, неподвижно закрепленные на подложке, а контактодержа тель с помощью металлического контактного кольца, охватывающего вал, электрически связан с третьим токовк водом 2 . . К недостаткам известного потендиометра следует также отнести неоди наковую разрешающую способность в на чале и конце спиральной резистивной дорожки. Поэтому на конце спирали потенциометр способен различать наименьшие изменения положения движка, т.е. более малые углы поворота вала. Различная разрешающая способность потенциометра по длине резистивной дорожки затрудняет его применение в автоматических системах уп равления, устройствах обработки данных, чувствительных регистрирующих приборах, т.е. сужает функциональные возможности-потенциометра. Кроме того, конструкция потенциометра обладает низкой эксплуатационной надежностью из-за наличия подвижных конструктивных элементов, связанных между собой механическими контактными сопряжениями, создающими возможность заклинивания, возникновения люфтов, проскальзывания и т.д. Такая конструкция потенциометра является особенно ненадежной при работе в условиях вибрации в связи с возможностью возникновения резонанса конструктивных элементов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей потенциометра путем получения постоянной разрешающей способности. Поставленная цель достигается тем, что в потенциометре, содержащем плоскую диэлектрическую подложку с размещенной на ней спиральной резистивной дорож сой, токосъемный узел, включающий регулировочный элемент, подвижный контактодержатель и контакт, подвижный контактодержатель выполнен в виде токопроводящего конусообразного диска, размещенного с клинообразным зазором над смежной поверхностью плоской диэлектрической подложки, а контакт - в виде свернутой в тороид цилиндрической пружины и расположен э клинообразном зазоре, причем регулировочный элемент взаимодействует с конусообразным диском в осевом направлении . На фиг. 1 изображен потенциометр в начальном положении контакта, вертикальный разрез; на фиг. 2 - то же, вид сверху со снятым диском; на , фиг. 3 - потенциометр в конечном положении контакта} на фиг. 4 - то же, вид сверху. Потенциометр содержит диэлектрическую подложку 1 с расположенной на ней реэистивной спиральной дорсзжкой 2 с токовыводами 3 и 4 на концах, металлическую втулку 5 с внутренней резьбой и токовыводом 6, установленную неподвижно в центре диэлектрической подложки 1, контактодержатель 7, выполненный в виде диска с конусообразным профилем, регулировочнь1й элемент 8, представляюьщй собой стягивающий винт, с помощью которого закреплен на подложке движок, токосъемный контакт 9, выполненный в виде цилиндрической пружины, свернутой в тороид и расположенной между смежными поверхностями контактодержателя 7 и диэлектрической подложки 1, и гофр 10, герметично установленный между диском 7 и подложкой 1. Смежная с подложкой 1 конусная поверхность диска 7 образует круговой клинообразный зазор с углом, обращенным к оси винта 8, причем минимальная величина угла должна быть больше угла заклини вания пружинного тороида. Резистивная спиральная дорожка 2 наносится на диэлектрическую подложку методом вакуумного напыления, фотохимической печати или путем вжигания реэистивной пасты, т.е. любым из известных способов. Предлагаемый профиль конусной поверхности диска 7 обеспечивает неизменное на всей длине резистивной дорожки 2 приращение ее участков(иUJ , проходимых контактирующими витками пружинного тороида 9, что обуславливает постоянную разрешающую способность потенциометра. Закон изменения угла зазора, т.е. кривизны конусной поверхности диска, выбран таким образом, что компенсиру ется неравномерность приращения на витках спирали резистивной дорожки const.. С увеличением диаметра it тороида соответственно растет кривизна образующей конусной поверхности диска, вследствие чего при одном и том же угле поворота винта скорость увеличения диаметра тороида в начале резистивной дорожки, где ik.L малы, будет велика, а в конце, гдеаЬ велики, малой. Тем самым выполняется условие т-г const и обеспечивается постоянство разрешающей способности потенциометра на всей длине резистив ной СПИрсШИ. П р им е р. Расчет профиля конусной поверхности диска. Исходные положения для расчета по верхности, образованной искомой кривой вокруг некоторой оси, представлены ниже. Резистивная дорожка представляется, например, в форме архимедовой .спирали, которая описывается в поляр нойСистеме координат следующим выражением:где ср - радиус-вектср спирали, т.е. расстояние от центра полярной системы координат до .те кущей точки на спирали , а - параметр спирали) (f - угол поворота радиус-вектор Длина спирали определяется по фор муле L ({ -j T7fAv9hQ). Пружинный тороид представляется как окружность, пересекающая спираль в одной точке и имеющая со спиралью один и тот. же центр. Точка пересечения спирали с окруж ностью при перемещении диска с посто янной скоростью движется вдоль спирали с постоянной скоростью V - С. За время t винт совершает один полный оборот q 2 п, и перемешается на величину шага резьбы (9) ,1 Stp -2 За время Т nt диск пройдет путь, , 5(р , 721 (3) где п - число шагов. Значения коэффициентов В и С определяются как В .. С -Ь- .(4) Тт Скорость движения точки вдоль спирали может быть разложена на составляющие 119 (51 где Y - составляющая скорости С вдоль радиуса окружности (фиг. 2} , Vj- составляющая скорости С вдоль касательной к окружности. Из курса физики известно, что V,- илиV2 . (6) где t - время перемещения точки. 1.2 t H -l-Si) Ось ОХ совпадает с радиальным направлением спирали и тора. Ось ОУ совпадает с осью диска, вдоль которой он перемещается при настройке потенциометра. Координаты точки на образующей конуса определяются по формулам Данная система уравнений позволяет получить профиль конусной поверхности диска, обеспечивающей постоянную разрешающую способность потенциометра. Эта задача может быть также решена экспериментальным путем, методом последовательных приближений, добиваясь пропорциональности между углом поворота винта и выходным напряжением потенциометра. Потенциометр работает следующим образом. В исходном положении пружинный торсид 9 находится в свободном состоянии и контактирует с резистивной дорожкой 2 в месте крепления токовывода 3, т.е. с началом дорожки. При этом обеспечивается максимальная величина сопротивления потенциометра. Торсид 9 обеспечивает электрическую связь резистивной дорожки.2 с несколькими витками пружины, а диска 7 - ос всеми виткам, создавая таким образом многоточечный контакт, характеризующийся надежным, низким переходным сопротивлением.

При закручивании винта 8 во втулку 5 расстояние между диском и под.ложкой уменьшается в результате их стягивания и, вследствие клинообразного сечения зазора, между диском и подложкой возникает выталкиваю-, щая сила, направленная в сторону от оси винта, в результате действия которой происходит равномерное по всем периметру увеличение диаметра тороида за счет его растяжения и последовательное перемещение точки контактирования.с резистивной дорожкой. При этом потенциометр начинает работать как делитель напряжения с переменным коэффициентом делення от 1 до О. В момент достижения торойдом 9 токовывода 4 сопротивление потенциометра становится близким к нулю, так как резистивная дорожка 2 оказывается полностью зашунтированной токопроводящим диском.

При выкручивании винта 8 тороид

9под действием силы упругости возвращается в исходное положение. Гофр

10обеспечивает герметизацию внутреннего объема потенциометра и защищает,его от воздействия влажной окружающей срьды, проникновения пьши, от рицательно влияющих на параметры потенциометра. Кроме того, гофр предотвращает вращение диска совместно

с винтом при его повороте.

Благодаря тому, что конртрукция потенциометра представляет собой упругую систему, значительно уменьшается влияние нежелательных механических воздействий в виде вибраций и ударов и практически ликвидируется вызываемое ими такое явление, как. отскакивание токосъемного элемента, нарушающее электрический контакт. При этом гофр играет роль демпфирующего элемента.

Увеличение диаметра тороида сопровождается ростом контактного давления, для уменьшения которого целесообразно заполнить частично внутренни объем потенциометра специальным маелом, что способствует также уменьшению критического угла зазора, при котором возможно заклинивание тороида.

При перемещении тороида его витки оказываются расположенными под некоторым углом по отношению к резистивной дорожке, за счет чего обеспечивается самоочищение дорожки от различных загрязнений, появляющихся в процессе сборки потенциометра вследствие износа его деталей и т.п., которые являются причиной переходного шума. Изменение сопротивления потенциометра можно производить также путем приложения усилия непосредственно к диску . Этот способ удобен при преобразовании поступательных механических перемещений в электрический сигнал,так как при этом нет необходимости в применении различных преобразователей поступательного движения во вращательное, что упрощает конструкцию измерительного устройства в целом. В данном случае потенциометр может быть использован как устройство для измерения паро1метров вибрации в. качестве датчика давления, либо как амортизатор, в котором дополнительное поглощение механической энергии может происходить за счет дренажирования воздуха, заключенного во внутреннем объеме потенциометра через специально предусмотренное отверстие.

Потенциометр по сравнению с известными позволяет получить постоян-ную по всей длине спиральной резистивной дорожки разрешающую способность за счет выполнения контактодержателя в виде конусообразного диска, фрикционно связанного с пружинным контактом, имеющим форму тороида, повысить виброустойчивость и ударопрочность за счет выполнения контакта в Виде пружинного тороида, связывающего конструктивные элементы потенциометра в единую упругую систему, надежную многоточечную электрическую связь между движком, резистивной дорожкой и контактом благодаря выполнению его в форме цилиндрической пружины, свернутой в тороид, расширить функциональные возможности потенциометра за счет реализации двух вариантов регулировки его параметров .

ПОТЕНЦИОМЕТР, содержащий пло-скую диэлектрическую подложку с размещённой на ней спиральной резистивной дорожкой, токосъемный узел, включающий регулировочный элемент, подвижный контактодержатель и контакт, о тличающийся там, что, с целью расширения его функциональных возможностей путем получения постоянной разрешающей, способности, подвижный контактодержатель выполнен в виде токопроводящего конусообразного диска, размещенного с клинообразным зазором над смежной поверхностью плоской диэлектрической подложки, а контакт - в виде свернутой в тороид цилиндричебкой пружины и расположен в клинообразном зазоре, причем регул{1ровочный элемент взаимодействует с конусообразным диском в осевсж на- : правлении... О