Отдаваемый акселерометром электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний.
Часто применяются датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.
Рис.16. Основной принцип работы конденсаторных акселерометров
Акселерометры микроэлектромеханических MEMS систем делятся на два типа:
· сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал;
· актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия.
Рис.17. Датчик движения Epson XV-8000.
3.2. Силомоментные датчики и датчики давления
Датчик давления — это устройство, в котором выходные параметры зависят от давления исследуемой среды.
Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого:
· чувствительный элемент - приемник давления;
· схемы вторичной обработки сигнала;
· различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий;
· устройства вывода информационного сигнала.
Оптические
Оптические датчики давления могут быть построены на двух принципах измерения: волоконно-оптическом и оптоэлектронном.
Волоконно-оптические
Волоконно-оптические датчики давления являются наиболее точными и их работа не сильно зависит от колебания температуры. Чувствительным элементом является оптический волновод. Об измеряемой величине давления в таких приборах обычно судят по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света.
Оптоэлектронные
Датчики этого типа состоят из многослойных прозрачных структур. Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоев может изменять свои параметры в зависимости от давления среды. Есть 2 параметра, которые могут изменяться: первый это показатель преломления, второй это толщина слоя. На иллюстрации показаны оба метода, изменение показателя преломления — рисунок 9а, изменение толщины слоя — рисунок 9б.
Рис.9
При изменении этих параметров будут меняться характеристики проходящего через слои света, это изменение будет регистрироваться фотоэлементом.
Магнитные
Другое название таких датчиков — индуктивные. Чувствительная часть таких датчиков состоит их Е-образной пластины, в центре которой находится катушка, и проводящей мембраны чувствительной к давлению. Мембрана располагается на небольшом расстоянии от края пластины. При подключении катушки, создается магнитный поток, который проходит через пластину, воздушный зазор и мембрану. Магнитная проницаемость зазора примерно в тысячу раз меньше магнитной проницаемости пластины и мембраны. Поэтому, даже небольшое изменение величины зазора влечет за собой заметное изменение индуктивности.
Рис.10. Индуктивный датчик
Емкостные
Имеет одну из наиболее простых конструкций. Состоит из двух плоских электродов и зазора между ними. Один из этих электродов представляет собой мембрану на которую давит измеряемое давление, вследствие, чего изменяется величина зазора. То есть, по сути, этот тип датчиков представляет собой конденсатор с изменяющейся величиной зазора. А как известно емкость конденсатора зависит от величины зазора. Емкостные датчики способны фиксировать очень маленькие изменения давления.
Ртутные
Тоже очень простой измерительный прибор. Работает по принципу сообщающихся сосудов. На один из этих сосудов давить измеряемое давление. Давление определяется по величине ртутного столба.
Пьезоэлектрические
Чувствительным элементом датчиков этого типа является пьезоэлемент — материал, выделяющий эклектический сигнал при деформации (прямой пьезоэффект). Пьезоэлемент находится в измеряемой среде, он будет выделять ток пропорциональный величине изменения давления. Так как электрический сигнал в пьезоматериале выделяется только при деформировании, а при постоянном давлении деформирование не происходит, то этот датчик пригоден только для измерения быстро меняющегося давления.
Пьезорезонансные
Этот тип тоже использует пьезоэффект, только в отличие от прошлого типа тут используется обратный пьезоэффект — изменение формы пьезоматериала в зависимости от подаваемого тока. В датчиках данного типа используется резонатор (например пластина) из пьезоматериала, на которую нанесены с двух сторон электроды. На электроды по переменно подается напряжение разного знака, таким образом пластина изгибается то в одну то в другую сторону с частотой подаваемого напряжения. Но если на эту пластину подать силу, например мембраной чувствительной к давлению, то частота колебания резонатора изменится. Частота резонатора и будет показывать величину, с которой давление давит на мембрану, а она в свою очередь давит на резонатор.
Резистивные
По-другому этот тип датчиков называет тензорезистивный. Тензорезистор — это элемент, изменяющий свое сопротивление в зависимости от деформирования. Эти тензоризисторы устанавливают на мембрану чувствительную к изменению давления. В итоге, при давлении на мембрану она изгибается и изгибает тензоризисторы, закрепленные на ней. Вследствие чего, сопротивление на них меняется и меняется величина тока в цепи.
Силомоментные датчики
а б в
Рис.12 а) Датчик крутящего момента Т300 б) Измерение силы в) Тензометрические весы
Датчики температуры
Термометр(от греч. therme - теплота и metron - мера) — прибор для измерения температуры.
Термометр манометрический
Прибор для измерения температуры, действие которого основано на тепловом расширении жидкости, температурной зависимости давления газа, либо температурной зависимости давления жидкостных паров. Благодаря капилляру могут использоваться дистанционно.
Термометр манометрический широко распространен в качестве приборов технического назначения в диапазоне температур от -60 до 550 °С.
Рис.20. Манометрический термометр
Рабочая часть прибора, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона, погружаемого в измеряемую среду, манометрической трубчатой пружины, воздействующей посредством тяги на указательную стрелку, и капилляра, соединяющего пружину с термобаллоном.
Термометр жидкостный
В термометрах жидкостных термометрическим свойством является тепловоерасширение жидкостей. Для заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, эфир, пентан и т. д. Жидкостные термометры широко применяется в технике и лабораторной практике для измерения температур в диапазоне от –200 до 750 °С Ртутные термометры - разновидность жидкостного термометра, где термометрическим веществом является ртуть.
В электроконтактных жидкостных термометрах (ЭЖТ) термометрическая жидкость сигнализирует о достижении заданной температуры замыканием специальных контактов.
Рис.21. Жидкостной термометр Рис.22. Ртутный термометр Рис.23. ЭЖТ
Газовый термометр
Газовый термометр прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объёма газа от температуры (Закон Шарля): при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально абсолютной температуре. Так как газ, как правило, остаётся газом даже при очень низких температурах, газовые термометры часто используют для измерения отрицательных температур.
а) б)
Рис.24. а) Принцип работы газового термометра; б) внешний вид газового термометра
Биметеллические термометры
Основным элементом биметаллического термометра является скрученная в спираль полоса из двух сваренных друг с другом пластин разных металлов с неодинаковыми коэффициентами температурного расширения. Температурная деформация заставляет спираль скручиваться либо раскручиваться, двигая указатель по шкале.
Диапазоны показаний биметаллических термометров от -70°С до +600°С
Рис.26. Устройство биметаллического термометра
Термометр сопротивления
Термометр сопротивления -прибор для измерения температуры,принцип действия которого основан на изменении электрического сопротивления чистых металлов, сплавов и полупроводников при изменении температуры (принцип терморезистора). Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры.
Рис.27. Внешний вид термометров сопротивления
Термистор(ТР) - полупроводниковый терморезистор, у которого электрическое сопротивление существенно убывает с ростом температуры. Широко используются в связанной с температурными режимами электронике: температурные датчики, термометры и т.п.
Важным преимуществом термисторов является их большое сопротивление, что устраняет проблему, связанную с падением напряжения на подводящих проводах, как при использовании RTD или проблему, связанную с необходимостью большого усиления сигнала (до 2000) для термопар.
Чувствительность термисторов значительно выше чем у металлических термометров сопротивления на один порядок и составляет -(2...8) %/°C.
Терморезисторы с положительным температурным коэффициентов сопротивления называются позисторами.
Как элемент автоматики, позистор может выполнять следующие функции:
1) Защита от перегрева электрических двигателей. При этом позистор, который обладает свойством резко увеличивать свое сопротивление при превышении определённой температуры, помещают в непосредственной близости от той части двигателя, которая быстро перегревается, например, вблизи сердечника и обмотки двигателя. При перегреве одной из обмоток двигатель приостанавливается.
2) Ограничение тока. Позистор обладает свойством ограничивать ток, так как при увеличении подаваемого напряжения ток через него уменьшается. Эффект ограничения тока нагрузки (при её последовательном соединении) возникает из-за нагревания самого позистора.
3) Улучшение работы реле. Если ввести позистор с подходящей постоянной времени последовательно в цепь обмотки возбуждения реле, то в момент включения сопротивление позистора низкое, и ток возбуждения получается высоким. По прошествии некоторого времени протекания тока сопротивление позистора вследствие собственного нагрева возрастает, и ток через обмотку снижается до величины тока удержания реле.