Датчики и сенсоры для контроля мехатронных систем

Содержание скрыть

Такое развитие обусловлено, прежде всего, гигантским прогрессом микроэлектроники. Широкий спектр применений микро-ЭВМ в бытовой технике, автомобилестроении и других отраслях промышленности все в большей мере требует недорогих датчиков, выпускаемых крупными сериями. Как следствие этого появились интересные и в то же время недорогие устройства на датчиках.

1.1 Понятия и определения

Датчик — конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от которого поступают сигналы измерительной информации (он «даёт» информацию).

[1] Но первичный преобразователь может находиться в измерительной цепи любого средства измерений и не обязательно должен быть датчиком, т. е. конструктивно обособленным.

Все измерения начинаются с восприятия измеряемых величин и формирования измерительного сигнала, который далее подвергается необходимым преобразованиям, т.е. на этом этапе датчики выделяют и представляют входную величину в виде измерительного сигнала. Функцию восприятия входной величины выполняет чувствительный элемент. При этом идентифицируется природа величины и происходит процесс её восприятия. В официальных изданиях [1] чувствительный элемент определяется как часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входную величину. Сердцевиной чувствительных элементов датчиков является вещество (материал), которое воспринимает входную физическую величину. Помимо чувствительного элемента в измерительную цепь могут входить усилители, делители, фильтры, модуляторы, а также иные устройства преобразования измерительного сигнала.

В измерительной технике применяют также унифицирующие (нормализующие) преобразователи, приводящие сигналы датчиков к установленным нормам. Делается это для использования стандартной измерительной аппаратуры.

Таким образом, под датчиком следует понимать конструктивно обособленную совокупность первичных измерительных преобразователей, воспринимающую одну или несколько входных величин и преобразующую их в измерительные сигналы [2].

Следует сказать, что для выполнения функций восприятия входных величин используют также измерительные установки, состоящие из сложной совокупности элементов и содержащие сложные в реализации физические эффекты. [4]

Понятие датчик необходимо отличать от понятия преобразователь. Преобразователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик преобразует любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал.

9 стр., 4453 слов

Измерительный преобразователь для датчика температуры

Содержание курсовой работы: 1. Исходные данные: 1) тип датчика: термопара ТХК(L); 2) диапазон температуры для указанного датчика от 0 до 150 °С; 3) входной сигнал для этого типа датчика термоЭДС ( ... и e (100?С)). Итак, максимальная относительная погрешность нелинейности (в %) составит: Наш измерительный преобразователь должен обеспечивать класс точности 0,25 с запасом не менее 20%, т.е. точность ...

В измерительно-информационной технике за рубежом используют несколько терминов, отражающих особенности выполнения функций восприятия и формирования измерительных сигналов: sensor, gange (англ.), Geber, Primarmessumformer (нем.), Transducteur de mesure (франц.).

Термин «сенсор» уже давно «просочился» на страницы отечественных научных публикаций. В настоящее время сложилось такое положение, что термины «датчик» и «сенсор» используются для обозначения измерительного преобразователя, выполняющего функции восприятия входной величины и формирование измерительного сигнала. [4]

Заметим, что термин «сенсор» акцентирует внимание на восприятии входной величины, а термин «датчик» — на формировании и выдаче измерительного сигнала. Под сенсором понимается первичный измерительный преобразователь, воспринимающий входную величину и формирующий измерительный сигнал. На конструкцию и на другие особенности при этом никаких ограничений не накладывается. Следовательно, и сенсор и датчик выполняют одну и ту же функцию восприятия входной величины и формирования измерительного сигнала.

Таким образом, в настоящее время разумно признать правомерным использование обоих этих терминов.

1.2 Характеристики датчиков

Дж. Фрайден [5] выделяет следующие характеристики:

  • передаточная функция;
  • максимальный входной сигнал;
  • диапазон измеряемых значений;
  • точность;
  • калибровка;
  • ошибка калибровки;
  • гистерезис;
  • нелинейность;
  • насыщение;
  • воспроизводимость;
  • мертвая зона;
  • разрешающая способность;
  • выходной импеданс;
  • сигнал возбуждения;
  • динамические характеристики;

Передаточная функция

Для каждого датчика можно вывести идеальное или теоретическое соотношение, связывающее сигналы на его входе и выходе. Соотношение между входным и выходным сигналом можно выразить в виде либо таблицы, либо графика, либо математического выражения. Это идеальное (теоретическое) выражение часто называют передаточной функцией. Передаточная функция устанавливает взаимосвязь между выходным электрическим сигналом датчика S и внешним воздействием s: S =f(s).

Эта функция может быть как линейной, так и нелинейной (например, логарифмической, экспоненциальной или степенной), многомерной или одномерной.

Максимальный входной сигнал

Динамический диапазон внешних воздействий, который датчик может воспринять, называется диапазоном измеряемых значений. Эта величина показывает максимально возможное значение входного сигнала, которое датчик может преобразовать в электрический сигнал, не выходя за пределы допустимых погрешностей. Для датчиков с очень широкой и нелинейной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) динамический диапазон внешних воздействий часто выражается в децибелах, которые являются логарифмической мерой отношений либо мощности, либо напряжений.

Диапазон выходных значений

Диапазон выходных значений — алгебраическая разность между электрическими выходными сигналами, измеренными при максимальном и минимальном внешнем воздействии. В эту величину должны входить все возможные отклонения от идеальной передаточной функции.

8 стр., 3971 слов

Проведение калибровки датчика давления МЕТРАН-150-CD с составлением ...

... сигнала. Во время прохождения производственной практики мною была выполнена поверка датчика, результаты поверки приведены в протоколе представленном ниже. ПРОТОКОЛ КАЛИБРОВКИ ПРИБОРА Дата 23.12.2014№ 123 Наименование прибора датчик давление МЕТРАН Модель 150 ...

Точность

Точность — очень важная характеристика любого датчика. Когда говорят о точности датчика, чаще всего подразумевают его неточность или погрешность измерений. Под погрешностью измерений, как правило, понимают величину максимального расхождения между показаниями реального и идеального датчиков. Измеренное значение соответствует реальному с определенной степенью достоверности.

На точность датчиков влияют такие характеристики как: гистерезис, мертвая зона, параметры калибровки, повторяемость датчиков от партии к партии и воспроизводимость погрешностей.

Калибровка

Если производственные допуски на датчик и допуски на интерфейс (схемы преобразования сигналов) превышают требуемую точность системы, всегда необходимо проводить калибровку. В процессе проведения полной калибровки определяются коэффициенты, описывающие передаточную функцию всей системы в целом, включая датчик, интерфейсное устройство и АЦП.

Если выражение для передаточной функции является линейным, то для нахождения коэффициентов, описывающих прямую линию, необходимо иметь два уравнения и нужно проводить калибровку, как минимум, в двух точках. Для нелинейных функций калибровку требуется проводить более чем в двух точках. Количество необходимых калибровок диктуется видом математического выражения.

Ошибка калибровки

Ошибка калибровки — это погрешность, допущенная производителем при проведении калибровки датчика на заводе. Эта погрешность носит систематический характер, и, значит, добавляется ко всем реальным передаточным функциям. Ошибка калибровки сдвигает характеристику преобразования датчика в каждой точке на определенную величину. Она необязательно должна быть равномерной во всем диапазоне измерений и может зависеть от типа ошибки, допущенной в процессе калибровки.

Гистерезис

Гистерезис — это разность значений выходного сигнала для одного и того же входного сигнала, полученных при его возрастании и убывании. Типичной причиной возникновения гистерезиса является трение и структурные изменения материалов.

Нелинейность

Нелинейность определяется для датчиков, передаточную функцию которых возможно аппроксимировать прямой линией. Под нелинейностью понимается максимальное отклонение L реальной передаточной функции от аппроксимирующей прямой линии. Под термином «линейность» на самом деле понимается «нелинейность».

Насыщение

Каждый датчик имеет свои пределы рабочих характеристик. Даже если он считается линейным, при определенном уровне внешнего воздействия его выходной сигнал перестанет отвечать приведенной линейной зависимости. В этом случае говорят, что датчик вошел в зону нелинейности или в зону насыщения

Воспроизводимость

Воспроизводимость — это способность датчика при соблюдении одинаковых условий выдавать идентичные результаты. Воспроизводимость результатов определяется по максимальной разности выходных значений датчика, полученных в двух циклах калибровки. Причинами плохой воспроизводимости результатов часто являются: тепловой шум, поверхностные заряды, пластичность материалов и т.д.

Мёртвая зона

Мертвая зона — это нечувствительность датчика в определенном диапазоне входных сигналов. В пределах этой зоны выходной сигнал остается почти постоянным (часто равным нулю).

6 стр., 2822 слов

Датчики давления

... ситуациях с экстремальными избыточными давлениями. Примеры упругих элементов датчиков давления показаны ниже: Рисунок 1- Упругие элементы датчиков давления Электрические датчики Сегодня датчики не только обязательно ... значения создаваемого давления, будет определяться калибровкой напряжения. Таким образом, диапазон давления, в котором может быть использован этот датчик определяется относительно ...

Разрешающая способность

Разрешающая способность характеризует минимальное изменение измеряемой величины, которое может почувствовать датчик. При непрерывном изменении внешнего воздействия в пределах диапазона измеряемых значений выходные сигналы датчиков не будут всегда абсолютно гладкими, даже при отсутствии шумов.

Выходной импеданс

Выходной импеданс является характеристикой, указывающей насколько легко датчик согласовывается с электронной схемой. Сопротивление, соответствующее выходному импедансу датчика, подключаются параллельно сопротивлению, характеризующему входной импеданс электронной схемы или последовательно с ним.

Сигнал возбуждения

Сигнал возбуждения — это электрический сигнал, необходимый активному датчику для работы. Выход сигнала возбуждения за приведенные пределы может привести к изменению передаточной функции датчика, и, следовательно, к искажению выходного сигнала.

Динамические характеристики

Динамические свойства датчиков зачастую определяют быстродействие всего измерительного устройства. Имеются методы коррекции динамических характеристик путем введения обратных связей по производным от входной величины и других приемов, позволяющих на порядок уменьшить инерционность устройств.

1.3 Физические принципы датчиков

Датчики являются преобразователями обычно неэлектрических физических величин в электрические сигналы. Перед тем как превратиться в выходной электрический сигнал внешнее воздействие проходит один или более этапов преобразований. Эти этапы включают в себя преобразования одного вида энергии в другой, а последнее превращение всегда заключается в формировании электрического сигнала в требуемом выходном формате.

Электрические заряды, поля и потенциалы

В пространстве между зарядами при отсутствии электрического заряда существует электрическое поле. Электрическое поле в каждой точке можно определить по величине силы, действующей на заряд:

Здесь Е — вектор того же самого направления, что и сила f, a q 0 является скалярной величиной. Электрическое поле вокруг заряженного объекта может быть описано не только вектором напряженности Е, но и скалярной величиной, называемой электрическим потенциалом V. Потенциал редко используется для описания электрических полей в заданной точке пространства. На практике чаще применяется понятие разности потенциалов (напряжения) между двумя точками. Электрический потенциал в любой другой точке пространства можно определить как:

Ёмкость

Устройство из двух пластин, способных сохранять электрический заряд, называется конденсатором. Конденсатор характеризуется величиной заряда q, накопленного на обеих пластинах, и напряжением V — положительной разностью потенциалов между ними. Отношение заряда к напряжению является константой для каждого конденсатора:

Постоянная величина С называется емкостью конденсатора. Величина емкости зависит от формы пластин и их расположения друг относительно друга, а также от свойств среды между ними.

Конденсатор — это очень полезный электрический элемент, часто используемый в составе различных датчиков, например, для измерения расстояния, площади, объема, давления, силы и т.д.

10 стр., 4890 слов

Датчики измерения скорости

... электрическими соединениями (фиг.2). 1.3 Патент №2260188 Данное изобретение датчика скорости ... 1) положении датчика измерения скорости. При этом датчик 5 ... «Объект исследования - датчики измерения скорости» ... датчика 2, магниточувствительного элемента 3, включающего ИС магниторезистора 4, постоянный магнит 5 для обратного смещения и стабилизации магниторезистивного эффекта, ИС 6 обработки сигнала ...

Магнетизм

У электричества и магнетизма есть много общих черт. Возникновение магнитного поля вокруг движущихся электрических зарядов (проводника с электрическим током) является основным свойством магнетизма.

На основе постоянных магнитов часто строятся магнитные датчики для определения движения, перемещения, положения и т.д.

Индукция

Закон Фарадея о магнитной индукции гласит, что индуцированное напряжение или электродвижущая сила (э.д.с.) в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Фв, сквозь поверхность ограниченную этим контуром, т.е.

Сопротивление

Принято считать, что направление тока совпадает с направлением электрического поля (т.е. имеет противоположное направление к потоку электронов).

В соответствии с этим говорят, что электрический ток течет от положительного полюса источника напряжения к отрицательному полюсу, в то время как электроны перемещаются в противоположном направлении.

Для каждого материала есть удельное сопротивление — характеристика, описывающая его способность пропускать электрический ток. При этом говорят, что материал обладает электрическим сопротивлением, которое можно определить по закону Ома:

Для чисто резистивных элементов (не обладающих ни емкостью, ни индуктивностью) напряжение и ток совпадают по фазе. Любые материалы, имеют удельное сопротивление, и поэтому называются резисторами. Сопротивление является характеристикой любого устройства. Его величина определяется как самим материалом, так и геометрией резистора.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему механических напряжений.

Пьезоэлектрический эффект является обратимым физическим явлением. Это означает, что приложенное к кристаллу электрическое напряжение приводит к появлению механической деформации. Если разместить на кристалле несколько электродов и на одну пару из них подать напряжение, на остальных парах электродов будет накапливаться заряд, сформированный из-за возникшей деформации. Такой прием достаточно широко применяется в разных типах пьезоэлектрических преобразователей.

Пироэлектрический эффект

Пироэлектрики — это материалы с кристаллической структурой, в которых при воздействии на них тепловым потоком появляются электрические заряды. Пироэлектрический эффект очень близок к пьезоэлектрическому эффекту.

Подобно пьезоэлектрикам пироэлектрики используются в виде тонких пленок, с противоположных сторон которых нанесены электроды для сбора индуцированных теплом зарядов. Пироэлектрический детектор можно представить в виде конденсатора, электрически заряжающегося от потока тепла. Такой датчик не нуждается ни в каких внешних сигналах возбуждения, ему только требуется соответствующая интерфейсная электронная схема для измерения заряда.

Эффект Холла

В настоящее время датчики Холла используются для обнаружения магнитных полей и определения положения и перемещения объектов. Эффект Холла основан на взаимодействии между движущимися носителями электрического заряда и внешним магнитным полем.

Вследствие взаимодействия магнитного поля и электрического тока возникает поперечная разность потенциалов, получившая название напряжение Холла V н . При фиксированной температуре оно определяется выражением:

11 стр., 5310 слов

Средства для измерения основных технологических параметров (температура, ...

Основными видами средств измерений являются датчики, измерительные приборы, измерительные преобразователи и измерительные установки. Измерительным прибором (или просто прибором) называют средство измерений, служащее для выработки сигнала измерительной информации (электрического, пневматического и др.) в ...

Эффекты Зеебека и Пельтье

Эффект Зеебека заключается в поглощении или высвобождении тепла линейно пропорционально току, проходящего через однородный проводник, имеющий градиент температуры вдоль его длины. При этом тепло поглощается, если ток и тепловой поток направлены в противоположных направлениях, и выделяется — когда они имеют одинаковое направление).

Эффект Пельтье — это выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через соединение двух различных металлов. Это явление характерно и для случаев, когда ток поступает от внешних источников, и когда он индуцируется в спае термопары из-за эффекта Зеебека.

Звуковые волны

Звуковыми волнами называются периодические сжатия и расширения среды (твердых тел, жидкостей и газов), происходящие с определенной частотой. Компоненты среды совершают колебательные движения в направлении распространения волны, поэтому такие волны называются продольными механическими волнами.

Температурные и тепловые свойства материалов

Можно считать, что температура является мерой кинетической энергии колеблющихся частиц. Чем быстрее движение, тем выше температура частицы. Средняя кинетическая энергия большого количества двигающихся частиц определяет макроскопическую температуру объекта.

Когда различные материалы соприкасаются, атомы и молекулы, двигающиеся в них, взаимодействуют друг с другом. Чем интенсивнее движение атомов, тем выше температура и тем сильнее электромагнитное излучение. Для измерения температуры используются специальные устройства, называемые термометрами, которые либо контактируют с объектом, либо принимают его электромагнитное излучение и вырабатывают на выходе физический сигнал. Именно этот сигнал и является мерой температуры объекта.

Теплопередача

Тепловая энергия может быть передана от объекта к объекту тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Один из объектов, получающий или отдающий тепло, может быть детектором тепла. Его функция заключается в измерении количества тепла, поглощаемого или выделяемого объектом, для получения определенной информации об этом объекте. Такой информацией может быть температура объекта, теплота химических реакций, расположение или перемещение объектов и тд.

Световое излучение

Световое излучение — очень эффективная форма энергии, по изменению которой можно судить о многих внешних воздействиях: расстоянии, движении, температуры, химическом составе и т.д. Свет имеет электромагнитную природу Его можно рассматривать, как распространение энергии квантов или электромагнитных волн Разным зонам спектра даны свои определенные названия: УФ излучение, видимый свет, дальний, средний и ближний ИК диапазоны излучений, микроволны, радиоволны и т.д.

Классификации датчиков

Системы классификации датчиков могут быть очень разными: от очень простых до сложных. Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели проведения классификации.

Датчики могут классифицироваться в зависимости от параметров следующим образом [2]

По виду входных величин:, По количеству входных величин, По количеству измерительных функций, По количеству преобразований энергии и вещества, По наличию компенсационной обратной связи, По виду модуляции выходного сигнала, По технологии изготовления, По восприятию пространственных величин, По взаимодействию с источниками информации, По виду измерительных сигналов, По динамическому характеру сигналов преобразования

пассивных

Существуют также относительные и абсолютные датчики в зависимости от выбора точки отсчета. Абсолютный датчик определяет внешний сигнал в абсолютных физических единицах, не зависящих от условий проведения измерений, тогда как выходной сигнал относительного датчика в каждом конкретном случае может трактоваться по-разному. Примером абсолютных и относительных датчиков является датчик давления. Показания абсолютного датчика соответствуют значениям давления относительно абсолютного нуля по шкале давлений, т.е. относительно полного вакуума. Относительный датчик определяет давление относительно атмосферного давления, которое не является нулевым.

Современные сенсорные системы, как правило, работают одновременно с набором разнообразных датчиков, таких как системы технического зрения, ультразвуковые, тактильные, силомоментные и другие типы датчиков. Основное требование, которое предъявляется к этим системам, является то, что обработка зрительной, слуховой, тактильной и другой информации должна осуществляться в реальном масштабе времени. Сенсорные системы позволяют выполнять технологические и другие операции, используя обратную связь, аналогичную той, которая имеет место при работе человека. Обобщенная архитектура сенсорной системы показана на рис. 3.1[3].

Рис. 3.1 Архитектура сенсорной системы

На самом верху находится человеко-машинный интерфейс, посылающий команды супервизору, который, в свою очередь, посылает команды всем исполнительным устройствам и модулям. Это модули программного обеспечения, каждый из которых согласован со специальной функцией машины (робота); они действуют отдельно, с функцией очувствления или совместно.

3.1 Детекторы положения и перемещения

Определение положения физических объектов и их перемещений является важной функцией многих автоматизированных систем. Она необходима практически для всех АСУТП, систем управления транспортными потоками, охранных систем, без нее не может обойтись ни один робот.

Для обнаружения опасных расстояний между двумя объектами обычно применяются детекторы сближения. Такие детекторы, по существу, являются пороговыми устройствами, реализованными на базе датчиков положения объекта. Датчики положения — это, как правило, линейные устройства, выходные сигналы которых соответствуют расстоянию между объектом и опорной точкой. Детекторы сближения являются более простыми устройствами, сигналы на выходе которых появляются только в случае обнаружения критического расстояния до объекта. Например, во многих роботах и движущихся механизмах автоматизированных систем применяется очень простой, но очень надежный датчик сближения — концевой выключатель, в состав которого входит пара либо нормально замкнутых, либо нормально разомкнутых контактов. Когда объект при своем движении механически размыкает или замыкает эти электрические контакты, концевой выключатель посылает сигнал в управляющее устройство. Этот сигнал указывает на то, что объект достиг своего конечного положения. Однако контактные переключатели имеют ряд недостатков: высокую механическую нагрузку на движущиеся объекты, гистерезис и т.д.

Датчики скорости и ускорения

В состав всех акселерометров входит специальный элемент, называемый инерционной массой, движение которого отстает от движения корпуса. И независимо от конструкции датчика ускорений его основная цель заключается в детектировании перемещения этой массы относительно корпуса устройства и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Поэтому другой составной частью всех акселерометров является детектор перемещений, способный измерять микроскопические амплитуды вибрационных колебаний или линейных ускорений. Емкостной метод преобразования перемещений в электрический сигнал является самым проверенным и надежным, но в таких датчиках всегда необходимо компенсировать дрейф различных параметров, а также подавлять всевозможные помехи. Поэтому обычно акселерометры имеют дифференциальную структуру, для чего в их состав вводится дополнительный конденсатор, емкость которого должна быть близка к емкости основного конденсатора. Схематически емкостной акселерометр показан на рисунке 3.2.

Рис. 3.2 Емкостной акселерометр

3.3 Тензодатчики

Тензодатчик — это гибкий резистивный чувствительный элемент, сопротивление которого пропорционально приложенному механическому напряжению (величине деформации).

Все тензодатчики построены на основе пьезорезистивного эффекта.

Проволочный тензодатчик представляет собой резистор, наклеенный на гибкую подложку, которая в свою очередь прикрепляется на объект, где измеряется сила или напряжение. При этом должна обеспечиваться надежная механическая связь между объектом и тензочувствительным элементом, в то время как провод резистора должен быть электрически изолирован от объекта. Коэффициенты теплового расширения подложки и провода должны быть согласованы. Для получения хорошей чувствительности датчик должен иметь длинные продольные участки и короткие поперечные. Это делается для того, чтобы чувствительность в поперечном направлении не превышала 2% от продольной чувствительности.

3.4 Датчики давления

Оптические методы измерений обладают рядом преимуществ над остальными способами детектирования давления: простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающей способностью и высокой точностью. Особенно перспективными являются оптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерференции света.

В состав датчика входят следующие компоненты: пассивный кристалл оптического преобразователя давления с диафрагмой, вытравленной в кремниевой подложке; светоизлучающий диод (СИД) и кристалл детектора. Детектор состоит из трех р-n фотодиодов, к двум из которых пристроены оптические фильтры Фабри-Перо, имеющие небольшую разницу по толщине.

Принцип действия датчика основан на измерении модуляции длины волны, получаемой от сложения падающих и отраженных излучений. Частота периодического интерференционного сигнала определяется шириной рабочей полости интерферометра w, а его период равен l/2w.

Детектор работает как демодулятор, электрический выходной сигнал которого пропорционален приложенному давлению. Он является оптическим компаратором, сравнивающим высоту рабочей камеры датчика давления и толщину виртуальной камеры, сформированной за счет разности высот двух фильтров Фабри-Перо.

Рис. 3.3 Оптоэлектронный датчик давления

Когда размеры этих камер равны, ток фотодетектора будет максимальным. При изменении давления происходит косинусная модуляция фототока с периодом, соответствующим половине средней длины волны источника излучения.

3.5 Акустические датчики

Датчики, работающие в слышимом диапазоне, обычно называются микрофонами. Однако это название может употребляться и для детекторов ультразвуковых и инфразвуковых волн. По существу, микрофон является датчиком давления, приспособленным для преобразования звуковых волн в широком спектральном диапазоне, из которого обычно исключены очень низкие частоты (ниже нескольких герц).

Для разработки простых микрофонов может использоваться пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический кристалл является прямым преобразователем механического напряжения в электрический заряд. По этой причине пьезоэлектрические датчики применяются для преобразования ультразвуковых волн. Примерами применения пьезоэлектрических акустических датчиков являются управляемые голосом устройства и аппараты для измерения кровяного давления.

Рис. 3.4 Пьезоэлектрический микрофон

На рисунке 3.4 показана схема простого микрофона, подходящего для этих случаев. Поскольку такие микрофоны обладают очень высоким выходным импедансом, они должны подключаться к усилителю с высоким входным импедансом.

3.6 Световые датчики

Все детекторы световых излучений можно разделить на две группы: квантовые и тепловые преобразователи. Квантовые детекторы работают в интервале от УФ до среднего ИК диапазонов, в то время как тепловые датчики чаще используются в диапазонах среднего и дальнего ИК излучений, где их эффективность при комнатных температурах намного превышает эффективность квантовых преобразователей.

Роль световых датчиков могут играть отдельные полупроводниковые компоненты: фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы.

Принцип действия фотодиодов можно описать следующим образом. При воздействии излучения соответствующей частоты на прямо смещенный р-n переход (в котором положительный вывод батареи подключен к зоне р), ток через фотодиод возрастет незначительно по сравнению с темновым током. Другими словами, ток смещения в этом случае будет намного превышать ток, генерируемый светом.

Фотодиод напрямую преобразует фотоны в носители зарядов — один фотон образует одну пару электрон-дырка. Фототранзисторы помимо фотоэлектрического преобразования выполняют функцию усиления тока, что значительно повышает чувствительность детектора. Переход коллектор-база является обратно смещенным диодом.

Также как и фотодиод, фоторезистор является фотопроводящим устройством. Для изготовления фоторезисторов, как правило, применяется сульфид кадмия (CdS) и селенид кадмия (CdSe).

Эта материалы являются полупроводниками, сопротивление которых меняется при попадании на их поверхность света, т.е. фотоэффект здесь заключается в изменении удельного сопротивления материала.

3.7 Датчики температуры

Существует два основных метода измерения температуры: равновесный и прогнозируемый. В равновесном методе измерение температуры проводится, когда между измеряемой поверхностью и чувствительным элементом, находящимся в зонде, наступает тепловое равновесие, т.е. между датчиком и объектом измерения нет существенной разности температур. В методе прогнозирования в процессе проведения измерений тепловое равновесие не наступает, а значение текущей температуры определяется по скорости изменения температуры датчика. С момента размещения чувствительного элемента на объекте до наступления теплового равновесия между объектом и датчиком может пройти довольно много времени, особенно, если контактные площадки сухие. Например, медицинский электронный термометр определяет температуру в ванне с водой за 10 секунд, в то время как для измерения подмышечной температуры требуется, по крайней мере, 3…5 минут.

Самым распространённым детектором температуры в технических системах является термопара. Термопары относятся к классу относительных датчиков, поскольку их выходное напряжение определяется разностью температур между двумя спаями и практически не зависит от абсолютной температуры каждого соединения При измерении температуры при помощи термопары один ее спай служит эталоном, и его температуру необходимо определять при помощи отдельного детектора абсолютной температуры, например, термистора, РДТ и тд или его надо поместить в материал, находящийся в физическом состоянии, температура которого точно известна.

4. Применение датчиков в мехатронных системах

Мехатроника — это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов [7]

За примерами мехатронных систем далеко ходить не надо: современные стиральные машины-автоматы, пылесосы, автомобили и т. п. Типичная мехатронная система — тормозная система автомобиля с АБС (антиблокировочной системой).

Персональный компьютер также является мехатронной системой: ЭВМ содержит массу мехатронных составляющих: жёсткие диски, CD-приводы, современные накопители на магнитных лентах. В промышленности мехатронными системам являются все современные роботы, станки, роботы-станки, измерительные комплексы.

Применение датчиков в мехатронных системах имеет большое значение и в то же время зависит прежде всего от соотношения цена/эффективность.

4.1 Датчики в промышленной технике измерений

Все больший масштаб автоматизации в производственных процессах повышает спрос на промышленные датчики. Контроль и управление технологическим процессом с помощью вычислительной сети связи требуют множества детекторов, совместимых с процессорами.

В настоящее время широко применяются в области промышленной техники следующие датчики:

  • датчики положения и перемещения;
  • датчики изображения на ПЗС, обработка изображения:
  • оптические датчики, волоконно-оптические датчики;
  • многокоординатные датчики.

Для современных производств характерна тенденция применения датчиков в интерактивном режиме, т.е. когда результаты измерений сразу же используются для регулирования процессов. Благодаря этому в любой момент обеспечивается корректировка технологического процесса, что ведет к увеличению выхода продукции, а потому и к более рациональному производству. Такие датчики должны обладать исключительной надежностью, чтобы обеспечить непрерывный и бесперебойный режим работы.

Примером такого управления технологическим процессом является показанный на рисунке 4.1 датчик для полностью автоматизированной или механизированной электродуговой сварки. Датчик работает по методу отражения падающего света. Отраженный свет создает на диодных цепочках характерные для геометрии шва сигналы, которые обрабатываются с помощью микро-ЭВМ.

Рисунок 4.1 — Оптический датчик для управления процессом сварки

4.2 Датчики в робототехнике

Применение роботов непосредственно вытекает из задач оптимизации технологии в промышленных производствах. В принципе робот представляет собой сложную информационную систему, которая объединяет в себе получение, обработку и преобразование информации. При получении информации через датчики роботу требуется прежде всего способность «видеть» и «ощупывать».

Первое оказывается возможным благодаря оптическим датчикам, которые должны быть приспособлены к соответствующим задачам робота.

Рисунок 4.2 — Датчик манипулятора робота (На основе D-поля): 1 — поддон, 2 — стопка шестерен, 3 — электроды, 4 — керамика, 5 — стальная трубка с облицовкой, 6 — экран, 7 — захват.

Рисунок 4.3 — Принцип действия датчика на основе измерения D-поля.

На рисунке 4.2 показан датчик для распознавания контуров объекта роботом в сложных условиях окружающей среды, как, например, в отжигательной печи при температуре около 1000 0 С датчик работает по методу измерения D-поля. Он состоит из трех электродов, из которых два крайних формируют поле. На них подается в противофазе переменное напряжение. Средний электрод служит измерительным электродом и при отсутствии механических помех не воспринимает никакого сигнального напряжения.

Если между электродами I и III или III и II находится объект, то происходит изменение диэлектрической постоянной, которое сопровождается появлением переменного тока на измерительном электроде. Подключенный выпрямитель преобразует измеряемую величину в постоянное напряжение, знак которого зависит от положения объекта (между электродами I и III или III и II).

4.3 Датчики в автомобиле

Очень большое значение придается датчикам в автомобилях. К областям применения таких детекторов относятся:

  • Датчики систем управления и регулирования привода,
  • Датчики для обеспечения безопасности и надежности,
  • Датчики диагностики и контроля расходных материалов, освещения, тормозов и системы охлаждения,
  • Датчики для получения информации о расходе топлива, о наружной температуре и маршруте.

Физическими параметрами, измеряемыми с помощью этих датчиков, являются: температура, давление, скорость вращения, перемещение или угол, расход, усилие или момент, ускорение, влажность, парциальное давление.

При изготовлении датчиков для автомобильной электроники все в большей мере применяют современные технологии, обеспечивающие экономичное изготовление датчиков минимальных размеров. В таблице 4.1 [8] приведен примерный перечень таких датчиков.

Таблица 4.1

Измеряемый параметр

Принцип действия датчиков

Скорость вращения (число оборотов)

Гальваномагнитные эффекты (эффект Холла, магниторезистивный эффект), эффект Виганда, электромагнитная индукция

Перемещение, угол

Короткозамкнутое кольцо, короткозамкнутый дисковой датчик, потенциометр

Температура

Тонкослойные металлические датчики, полупроводниковый (кремниевый) датчик

Расход

Нагреваемая спираль или фольга, турбинное колесо (топливо), шариковый циркуляционный датчик

Давление

Пьезорезитсивные полупроводниковые датчики давления, мембранные ячейки (с холловским сигналом, тонкослойный тензодатчики, емкостные датчики), толстослойные датчики давления

Момент

Магнитоупругий датчик (тордуктор), датчик, основанный на принципе вихревых токов, оптический датчик

Ускорение

Пружинно-инерционная система с тензодатчиками (фольга, тонкие слои), пьезоэлектрический датчик, пьезорезистивный полупроводниковый датчик (монолитный)

Концентрация кислорода

Диффузионный зонд из диоксида циркония

1. Основные термины в области терминологии: Словарь-справочник /М. Ф. Юдин, М. Н. Селиванов, О. Ф. Тищенко, А. И. Скороходов; Под ред. Ю. В. Тарбеева. — М.: Изд-во стандартов, 1989 и в МИ 2247-93 ГСИ.

2. Цапенко М. П., Клисторин И. Ф., Алейников А. Ф. Датчики (Функция восприятия входных величин и формирование измерительных сигналов) // Датчики и системы. — 1999. — №1.

3. Алейников А. Ф., Цапенко М. П. Многофункциональные датчики // Измерения, контроль, автоматизация. — 1990. — № 2 G4).

4. Алейников А. Ф., Гридчин В. А., Цапенко М. П. Датчики (перспективные направления развития): Учеб. пособие / Под ред. проф. М. П. Цапенко. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. — 176 с.

5. Фрейден Дж. Современные датчики. Справочник.- М.: ИЦ «Техносфера», 2005.- 592 с.

6. Джексон Р. Новейшие датчики.- М.: ИЦ «Техносфера», 2006.-395 с

7. http://ru.wikipedia.org/

8. Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. — М.: Мир, 1989. — 196с.