Первичные преобразователи (чувствительные элементы) датчиков

Первичным преобразователем, или чувствительным элементом (ЧЭ), называется простейший элемент ИС, изменяющий свое состояние под действием внешнего возмущения. Пример: фотодиод или тензорезистор.

Датчик представляет собой устройство, которое под воздействием изме­ряемой физической величины выдает эквивалентный сигнал (обычно элек­трической природы — заряд, ток, напряжение или импеданс), являющийся однозначной функцией измеряемой величины. Простейший датчик состоит из одного или нескольких первичных преобразователей и измерительной цепи. (измерительный усилитель, аналогово-цифровой преобразователь)

Среди ЧЭ, используемых в технике, будем рассматривать лишь те, кото­рые используются при формировании кинестетической, локационной, визу­альной и тактильной сенсорных функций — основных функций робототех­нических и мехатронных систем.

В соответствии с физическим принципом, положенным в основу преоб­разования информации, различают следующие основные типы ЧЭ:

· резистивные (в том числе тензо- и фоторезисторы);

· электромагнитные (индуктивные, индукционные и др.);

· преобразователи Холла;

· оптические;

· пьезоэлектрические.

1. Резистивные чувствительные элементы (ЧЭ)

Принцип их действия основан на измерении вариаций сопротивления резистора R, опре­деляемого по формуле

где ρ,l и s — удельное электросопротивление, длина и сечение проводника соответственно.

Промышленно выпускают аналоговые и цифровые резистивные ЧЭ.

В мехатронных системах управления используют пе­ременные (проволочные и пленочные) резисторы-потенциометры.

Потенциометрические или резистивные преобразователи перемещений представляют собой электромеханическое устройство, состоящее из активного сопротивления и скользящего контакта – щётки, передвигающейся по этому сопротивлению. Как правило, потенциометр, включается по схеме делителя напряжения, в некоторых случаях по схеме реостата.

На рис. представлены типы потенциометров. По виду резистивного (токопроводящего элемента), определяющего электрическое сопротивление, потенциометры делятся на проволочные и металлоплёночные (рис. Е), в которых на изоляционное основание нанесена тонкая плёнка высокоомного металла.

. Они могут быть самостоятельным датчиком положения (перемещения) (без вторичных преобразователей).

Потенциометры подключаются к контроллеру мехатронного модуля через АЦП (аналогово-цифровой преобразователь).

Тензорези́стор используются при измерении деформации. Принцип измерения деформаций с помощью тензорезисторов состоит в том, что при деформации изменяется его активное сопротивление. Тензорезисторы подразделяются три основные группы: проволочные, фольговые и полупроводниковые. ). Тензорезистор устанавливают на поверхности упругого элемента датчика. Воз­никающая в упругом элементе деформация вызывает изменение состояния ЧЭ в соответствии с явлением тензоэффекта.

Тензоэффектом называется свойство проводников и полупроводников изменять электрическое сопротивление при деформации. У полупроводников тензоэффект связан с изменением удельного электросопротивления, причем знак тензоэффекта зависит от типа проводимости материала, а значение — от кристаллографического направления. Принцип действия тензорезиcтора основан на законе Гука:

где σ, ε, Е — напряжение, линейная деформация и модуль Юнга соответственно.

Тензочувствительность первичного преобразователя S_T определяется за­висимостью

Слагаемое (l+2ν) характеризует изменение S_Т в зависимости от геометрии, а

к_р — в зависимости от свойств материала. Тензочувствительность показывает, насколько относительное изменение сопротивления ЧЭ превосходит его относительную деформацию.

Важной характеристикой тензорезисторов является их температурная чувствительность, приводящая к изменению сопротивления даже в отсутствии деформации упругого элемента (рис. 2.2). Для ее оценки используют температурный коэффициент сопротивления α_R= ΔRT/(RΔT), где ΔRT — изменение сопротивления тензорезиетора под действием температуры; значения коэффициента α_R изменяются от 2*10^-5 °С^-1 для кон- стантана до 10*10^-5 °С^-1 для нихрома и до 19*10^-5 °С^-1 для изоэластика.

Для оценки температурной чувствительности тензорезистора используют температурный коэффициент сопротивления α_R= ΔRT/(RΔT), где ΔRT — изменение сопротивления тензорезиетора под действием температуры.

Тензометрический преобразователь (датчик).

(а - вид с верху; б – разрез по А-А)

Он подключается к тензометрической станции. И образует информационно- измерительную систему для измерения малых перемещений, давлений, деформаций)

Тензодатчик силы.

1. Электромагнитные ЧЭ

Развитие методов бесконтактного съема информации привело к широ­кому использованию электромагнитных способов преобразования информа­ции. Именно электромагнитные ЧЭ в настоящее время являются основой большинства промышленных датчиков разного назначения.

Принцип дейст­вия электромагнитных ЧЭ основан на том, что в измеряемый параметр (например, перемещение) «вовлекается» один из элементов магнитного контура (обычно индуктивность). Изменение индуктивности в свою очередь вызывает изменение магнитного потока через измерительную обмотку, а следовательно, и электрического сигнала.

При построении электромагнитных датчиков наиболее известны два подхода: индуктивный и индукционный. В первом случае информативным параметром является индуктивность ЧЭ (катушки) L или коэффициент вза­имной индукции L₂₁ нескольких ЧЭ, во втором — ЭДС индукции. Параметр L называют также коэффициентом самоиндукции, a L₂₁ — коэффициентом связи между обмотками.

Электромагнитные ЧЭ можно включать по дроссельной и трансформаторной схемам. Дроссельная схема обычно содержит одну или две (при дифференциальном соединении) катушки, в которых изменяется коэффициент самоиндукции L.

В трансформаторной схеме используют несколько катушек для изменения коэффициента взаимной индукции. При этом одна из катушек (обычно первичная) неподвижна.

Области применения. Индуктивные ЧЭ широко используют при построении бесконтактных датчиков перемещения. Индукционные ЧЭ используются при изготовлении датчиков скорости линейных и угловых перемещений и ускорений (виброметры, акселерометры). Изготавливают также магнитные компасы со стрелочным и индукционным магнитным ЧЭ, Индукционные тахогенераторы.

1. Преобразователи Холла

Эффект Холла – возникновение в твердотельном проводнике с током, помещенном в магнитное поле, электрического поля в направлении, перпендикулярном направлению тока и магнитного поля.

Возникающая разность потенциалов – напряжение Холла (U_Х) – зависит от величины и направления приложенного магнитного поля и электрического тока:

,

где h_Х – полная чувствительность датчика (зависит от коэффициента Холла R), I – сила электрического тока через проводник, B- магнитная индукция поля, – угол между вектором магнитной индукции поля и плоскостью проводника. В зависимости от кристаллической структуры материала основными носителями заряда в нем могут быть либо электроны, либо дырки. Поскольку коэффициент Холла зависит от концентрации свободных носителей в проводнике (aмагнитная индукция поля, R ~ (nq)^-1) и знака заряда носителей, то эффект Холла может быть либо положительным, либо отрицательным.

Самыми распространенными материалами преоб­разователей Холла являются полупроводниковые структуры на базе GaAs, InAs, InSb и др.

В измерительных устройствах используют также интегральные микро­схемы, принцип действия которых основан на эффекте Холла.

Часто датчик с преобразователем Холла имеет релейный выход. В этом случае оконечный каскад микросхемы содержит триггер Шмитта и транзи­стор с открытым коллектором, что позволяет использовать разные шины питания микросхемы и нагрузки. Такие микросхемы устанавливают в дат­чиках положения, тока, тахометрах, бесконтактных переключателях, маг­нитных карточках и замках. Наиболее известно также использование преобразователей Холла в магнето­метрах, измерителях параметров магнитного поля, датчиках перемещений и др.

1. Оптические чувствительные элементы

В качестве оптических ЧЭ чаще всего используют оптронные пары светоизлучатель — фотоэлемент. Первыми излучателями были вакуумные или газонаполненные лампы, получившие название ламп накаливания. Их дос­тоинство — сравнительно большая мощность излучения и стабильная тем­пературная характеристика в широком диапазоне температур от -60 до 150 °С

В последнее время в промышленных датчиках положения все чаще ис­пользуют излучающие полупроводниковые диоды — светодиоды и лазерные светодиод. Их работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход. Яркость свечения светодиода пропорциональна току, проходящего через него.

По массогабаритным показателям — надежности, быстродействию и потребляемой мощности — светодиоды превосходят лампы накаливания. Их срок службы превышает 10⁴ ч. Недостатки светодиодов связаны с малой мощностью излучения (наибольшая у арсенид-галлиевых) и ее зависимостью от температуры.

В последнее время все большее распространение получают полупроводниковые лазерные диоды. Принцип действия лазера основан на способности которой активной среды под действием внешнего электромагнитного излучения определенной частоты формировать когерентное монохроматическое излучение.

Особенностью лазерного излучения является очень острая диаграмма направленности и исключительно малый диаметр фокального пятна (в дат­чиках положения менее 0,1 мкм).

Большинство лазерных диодов излучает свет в ИК диапазоне. Длина волны λ, а следовательно, и размер фокального пятна зависят от содержания алюминия. Сейчас промышленно выпускают лазерные диоды с длиной вол­ны 0,78...0,63 мкм. Их выходная мощность достигает 0,003...0,5 Вт при дол­говечности более 10⁵ ч. Недостаток лазерных диодов — сравнительно большие потери оптической энергии.

Фотоприемники бывают электровакуумные (ламповые) и полупроводниковые (фотодиоды).

Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод на базе р—п- перехода или барьера металл — полупроводник, смещенного в обратном направлении. При этом обратный ток фотодиода зависит от освещенности его р—n-перехода.

При освещении выпрямляющего р—n-перехода световым потоком происходит генерация избыточных носителей и обратный ток фотодиода возрастает на некоторую величину, называемую фототоком.

Обратное смещение перехода составляет 10...30 В. Фотоприемники изготавливают на основе германия, кремния, свинца, индия.

Фототранзисторы отличаются от фотодиодов дополнительным усилением фототока на коллекторном р-п переходе. Принцип действия фототранзистора основан на усилении фототока кол­лекторного р—n-перехода. Внутри фототранзистора между его базой и кол­лектором включен фотодиод, вырабатывающий ток, который создает то­ки в цепях транзистора.

Функцию преобразования фотоприемника можно представить в обоб­щенном виде:

где S_ф— чувствительность фотоприемника, А/лм; Ф_с — световой поток, Лм

Фототранзисторы могут работать как фотодиоды (режим с плавающей базой), так и в транзисторном режиме с источником смещения в базовой цепи.

1. Пьезоэлектрические чувствительные элементы

Пьезоэлектрическим называется эффект поляризации анизотропного ди­электрика под действием механического напряжения или возникновения в

нем механических деформаций под действием электрического поля. В первом случае говорят о прямом пьезоэффекте, во втором — об обратном.

Прямой пъезоэффект используется в датчиках (перемещений, силы, давления-в тактильных и т.д)

Обратный пъезоэффект используется в пъезодвигателях ( в том числе –в микро- и нано-двигателях).

При сжатии пъезоэлемента электрический заряд пропорционален сжимающей силе Р:

Q=aP

Где a- коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем.

Под действием изменяющейся силы З на электродах датчика появляется выходное напряжение

где С_Д- емкость датчика; С_М- емкость монтажа.

Пьезоэлектрические элементы могут использоваться либо в форме кристалла, либо многослойной структуры, в которой отдельные пластины соединяются при помощи электродов, размещенных между ними.

Материалы кристаллов – кварц, и пъезокерамики: титанад бария, титанад свинца (ЦТС).

Пьезоэлектрический ЧЭ по своему устройству и принципу действия на­поминает конденсатор, напряжение на обкладках которого зависит от рас­стояния между ними и изменяется при любых вариациях последнего. Это обстоятельство позволяет использовать пьезоэлектрический ЧЭ в качестве преобразователя динамических параметров — силы, давления, вибрации.

Особенностью пьезоэлектрических датчиков (динамометров, акселеро­метров, генераторов и др.) является совмещение функций упругого и ЧЭ, что нехарактерно для датчиков на основе других преобразователей. Исполь­зование совмещенного ЧЭ позволяет повысить точность измерения из-за отсутствия переходных соединений.

Итак, мы рассмотрели основные типы ЧЭ, которые преобразуют измене­ние измеряемой величины в изменение какого-либо собственного параметра сопротивления, индуктивности, заряда или другие разнородные характери­стики (часто их объединяют термином импеданс). Однако, согласно требо­ваниям унификации, выходной сигнал (обычно напряжение или ток) должен иметь стандартную форму и установленный диапазон. В целях получения унифицированного датчика (трансмиттера) отдельные преобразователи включают в различные измерительные цепи, состоящие из суммирующих схем и усилителей.

Кинестетические датчики.

Датчики положения и перемещения.