Загальна характеристика датчиків (стр. 2 из 4)
В іншому варіанті, що зображений на рис.8 датчик ємності стає датчиком близькості.
Рис.8. Ємнісний датчик близькості
У даному випадку пластини конденсатора розведені. Якщо у електричному полі цих пластин з’являється річ, що має електричну провідність, то ємність конденсатора підвищується. Збільшення ємності можна відчути, коли ємність включена у генератор електричних коливань, частота коливань якого залежить від цієї ємності. По цій частоті можна не тільки виявити появу предмета, але і відстань до нього. На цьому принципі діють деякі прилади охоронної сигналізації.
Як вказано у табл..2, ємкісний датчик нестабільний, бо на величину ємності впливають параметри зовнішнього середовища, зокрема вологість та забруднення.
Ультразвукові та радіолокаційні датчики близькості працюють на принципі вимірювання відстані до предмету, що відбиває акустичні, або радіотехнічні сигнали. Передавач випромінює у простір (як правило, у деякому просторовому куті) потужний імпульс акустичної енергії або енергії радіохвиль. Цей імпульс відбивається від предмету, повертається у зворотному напрямку, приймається у приймачі, де вимірюється інтервал між часом посилки імпульсу та часом його прийому. Відстань, на якій працюють акустичні датчики близькості обмежена великим загасанням ультразвукового акустичного сигналу у повітрі, особливо в умовах великої вологості.
У радіолокаційних систем ця відстань може бути дуже високою. Наприклад, комплекс „Радіан-12”, що використовується на полях аеродромів, може визначити появу людини на відстані до 1,2 км. Недолік радіотехнічних систем – висока вартість.
Фотоелектричні датчики близькості або положення працюють на подібному принципі. Світловипромінювач (це світлодіод або лазер) випромінює у простір світловий імпульс (як правило, в інфрачервоному діапазоні). На лінії розповсюдження цього імпульсу встановлений приймач світлової енергії. Якщо нема перешкод, то приймач одержує частину світлової енергії, якщо перешкода з’являється, то приймач її не одержує. Відстань дії цієї системи залежить від прозорості повітря, дощ, сніг або туман дуже скорочують цю відстань. Датчики положення на основі диференціальних трансформаторів у найпростішому варіанті складаються з циліндричної грати первинних та вторинних обмоток з окремою жилою, що проходить через центр. Жила має малий опір тертю та високу зносостійкість. При переміщенні вона змінє сигнал вторинної обмотки. Особливістю цього датчика є те, що ця жила не входить у електричний контакт з іншими електричними компонентами пристрою, тому датчик має високу надійність.
Оптоелектронні датчики положення
Такі датчики можуть визначати положення об’єкту на великій дистанції. Принцип роботи датчика показаний на рис.9.
Рис.9. Принцип роботи оптоелектронного датчика положення
Місцеположення об’єкту визначається джерелом світла, яке викликає розповсюдження світла в оптоволокні. При цьому світло затухає і на першому кінці (зліва по рисунку) інтенсивність S1 = kexp(-Ax), де х – відстань від джерела до першого кінця, А – показник затухання. На другому кінці (справа по рисунку) S2 = kexp[-A(L – x)]. Відношення цих величин: S2/S1 = exp(-AL)exp(2Ax), причому перший множник – константа, а другий залежить тільки від відстані х.
Датчики сили або тиску
Ємнісні датчики
Якщо звернутись до рис.7, то датчик сили можна побудувати, якщо між пластинами конденсатора встановити пружини, а на верхню пластину подати силове навантаження. Тоді, чим більше прикладена сила, тим більше будуть стиснуті пластини, тим менша буде відстань між ними, тим більша ємність. Але, оскільки такі датчики залежать від факторів зовнішнього середовища, то використання цього принципу потребує значних конструктивних зусиль.
А ось як безконтактні кнопки ємнісні датчики застосовуються часто. Використовується різка зміна ємності при натисненні пальцем кнопки. Конструкція датчика сили з кнопкою показана на рис.10.
Рис.10. Конструкція датчика сили
При натисненні на кнопку відстань між провідною силіконовою шайбою та електродами змінюється. Тому змінюється і ємність між обкладками електродів на друкованій платі. Мікросхема контролера перетворює ємність датчика у напругу, а потім у цифровий код. Такі датчики використовують у клавіатурах комп’ютерів, пультах мобільних телефонів, відеокамерах тощо.
Для вимірювання тиску використовується гнучка пластина конденсатора. Якщо на цю гнучку пластину поданий тиск, вона наближується до іншої постійної пластини конденсатора, тому ємність конденсатора змінюється в залежності від тиску. На рис.11 зображена така конструкція датчика тиску.
Рис.11. Конденсаторний датчик тиску
У конкретних конструкціях формуються складні форми діафрагм, що дозволяють одержати комбінації лінійності, чутливості та частотної характеристики.
П’єзоелектричні датчики
Дія цього датчика основана на використанні п’єзоелектричного ефекту, при якому при стисненні кристалу на його гранях з’являються електричні заряди. Такі датчики не потребуються зовнішнього збудження. Схема датчика показана на рис.1
Рис.1 П’єзоелектричний датчик тиску
Під дією тиску діафрагма натискає на кристал і на тому з’являється напруга, що пропорційна тиску. Ці датчики доцільно застосовувати, якщо вимірюється тиск, що швидко змінюється. Головна якість цих датчиків – високі динамічні характеристики (частоти до десятків МГц). Реальна конструкція такого датчика показана на рис.13.
Рис.13. Конструкція п’єзоелектричного датчику тиску
Р – вимірюваний тиск, 1 – п’єзопластини, 2 – гайка з діелектрику, 3 – електричний вивід, 4 – корпус, що є другим виводом, 5 – ізолятор, 6 – металічний електрод.
Тензорезистивні датчики
Тензорезистивний ефект – зміна електричного опору резистора під впливом розтягування або стиснення. Опір будь-якого дроту залежить від його довжини та зрізу у відповідності до формули:
R = rL/S,
де r - питомий опір металу при заданій довжині та зрізу, L- довжина дроту, S – його зріз. Якщо до цього дроту надати фізичне зусилля, він витягнеться, а його зріз зменшиться. Обидва фактори збільшують опір дроту як резистора. При стисненні ці фактори впливають у зворотному напрямку. Для збільшення впливу тиску дріт вкладають у вигляді багатьох витків на непровідній основі, як це показано на рис.14.
Рис.14 Конструкція тензорезистивного датчика
Для збільшення чутливості тензорезистивний датчик встановлюють як елемент моста, діагональ якого підключається до входів операційного підсилювача, як це показано на рис.15.
Рис.15. Схема використання тензорезистивного датчика
Зміна опору тензорезистивного датчика Rs1 призводить до зміни напруги в діагоналі мосту, яка підключена до протифазних входів операційного підсилювача А1. Тому на виході операційного підсилювача напруга V0 є підсиленим сигналом збільшення або зменшення сигналу тензорезистивного датчика.
Фірма TekscanTechnology виробляє тензодатчики у вигляді тонких плівок, які можна розмістити між будь-якими поверхнями. Опір плівки максимальний при відсутності тиску і зменшується при зростанні тиску. Якщо від плівки зробити декілька відводів, то можна вимірювати профілі тиску. Фірма виробляє також матриці датчиків, які дозволяються досліджувати двомірні профілі тиску. На рис.16 показана схема такого датчика та інтерфейсні пристрої до неї. Такі датчики використовуються, наприклад, для вимірювання тиску у медичних пристроях (протезах, тощо).
Рис.16. Матриця датчиків для двомірних вимірювань тиску
У якості тензорезисторів можуть використовуватись напівпровідникові матеріали, але вони мають більш високу температурну залежність. Якщо у мікросхемі зробити термокомпенсацію, то датчики такого типу можуть працювати як сканери тиску з великою кількістю точок вимірювання і з великою швидкість опитування.
Датчики сили і тиску дуже розповсюджені в промисловості та побуті.
Автомобільні та авіаційні застосування
- вказівними рівня та витрати палива;
- висотоміри;
- індикатори швидкості потоків газів та рідин;
- індикатори роботи та стану фільтрів;
- керування засобами безпеки пасажирів.
Медичні та біологічні застосування
- вимірювання тиску крові;
- моніторинг стану організму;
- керування засобами дихання, вентиляції та фільтрації.
Промислові та комерційні застосування
- системи керування роботами;
- засоби автоматизації будівельних робіт;
- промислові верстати та устаткування;
- системи кондиціювання;
- керування потоками газів та рідин;
- побутова техніка.
Датчики рівня рідини
Рідкі матеріали (паливо, олія, вода тощо) звичайно зберігаються у металевих ємностях. Скільки рідини залишилось в цій ємності потрібно знати увесь час. У давні часи робили скляні вікна, через які можна було бачити рівень. Але ці вікна розбивались, засмічувались, це було найслабкіше місце в усій конструкції. Використовувались також поплавці, відстань до яких контролювалась. Сучасні засоби дозволяють більш надійно визначати рівень рідини.