Бесконтактные датчики координат

Бесконтактные датчики координат бывают двух основных видов: на приборах с зарядовой связью (ПЗС) и локационные.

Приборы с зарядовой связью представляют собой линейные или двумерные структуры, элементы которых под действием света приобретают электрический заряд. Двумерные структуры по существу являются воспринимающей частью видеокамеры. Подаваемое на эти датчики изображение может формироваться как в проходящем (теневое изображение), так и отраженном свете. Следует отметить, что при использовании таких датчиков между исследуемым объектом и первичными преобразователями размещается еще один преобразователь — оптическое устройство, изменяющее масштаб изображения.

Локационные датчики используют отражение световых или акустических сигналов от объекта. Расстояние до него вычисляется путем измерения мощности, фазы или задержки отраженного сигнала по отношению к излученному.

К бесконтактным датчикам координат точек поверхностей относятся и голографические датчики. Их основу составляют лазеры (когерентные источники света), когерентная оптика и оптоэлектронные преобразователи. Они отличаются высокой чувствительностью и повышенной точностью, что послужило основой их широкого применения в голографической интерферометрии. Голографическая интерферометрия обеспечивает бесконтактное измерение расстояний одновременно от множества точек наблюдаемой поверхности путем сравнения с мерой — длиной волны света, излучаемого лазером, которая известна с высокой точностью.

Наибольшее распространение получили параметрические датчики силы с использованием тензорезисторов.

Тензорезистор представляет собой решетку, изготовленную печатным способом или просто из тонкого проводника. При деформации тензорезистора под действием силы F в указанном направлении его длина увеличивается, площадь поперечного сечения уменьшается и, соответственно, растет его сопротивление. Строго говоря, тензорезистор служит преобразователем перемещений в диапазоне до нескольких десятков микрометров. По прямому назначению он используется при исследовании деформаций элементов различных механизмов и машин. Десятки и даже сотни тензорезисторов наклеиваются на эти элементы, в результате чего исследователь получает полную картину деформаций.

Датчик силы представляет собой упругий элемент, на который наклеены один или несколько тензорезисторов, электрическое сопротивление которых меняется пропорционально деформации упругого элемента и, следовательно, пропорционально приложенной к нему силе. Диапазон измерения зависит от размеров упругого элемента.

Для измерения силы применяются также датчики, использующие пьезоэлектрический эффект. Этот эффект проявляется в поляризации диэлектрика, то есть появлении на его поверхностях электрических зарядов, под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэффект — возникновение механических деформаций под действием электрического ПОЛЯ. Пьезоэлектрические датчики являются генераторными, однако выходным сигналом является не напряжение или ток, а электрический заряд. Обработка такого сигнала вторичным преобразователем обладает определенной спецификой. Пьезоэффект присущ некоторым кристаллическим веществам (прежде всего кварцу), а также специально разработанным пленочным материалам. Поскольку непосредственной причиной пьезоэффекта является деформация материала, пьезодатчик силы, как и тензодатчик, представляет собой упругий элемент, на котором размещен пьезопреобразователь.

По принципу действия эти датчики сходны с датчиками силы. Измеряемое давление с помощью механических элементов преобразуется в перемещения, величина которых не превышает десятков микрометров. Эти перемещения измеряются с помощью тензорезисторных, пьезоэлектрических, емкостных или индуктивных преобразователей. Механическими преобразователями могут быть сильфоны, мембраны, тонкие пластины. Благодаря малости действующих сил и деформаций пленочные пьезопреобразователи могут использоваться без промежуточных механических преобразователей.

Основными датчиками температуры являются терморезисторы (параметрические датчики) и термопары (генераторные датчики). Терморезисторы изготавливают из металлов или полупроводниковых материалов, удельное сопротивление которых зависит от температуры. Термопара представляет собой два последовательно соединенных спая двух разных металлов, например железо—константан, медь— константан, серебро—палладий и др. На спае возникает контактная разность потенциалов, которая увеличивается с увеличением температуры. Поскольку контактные разности потенциалов спаев направлены навстречу друг другу, напряжение на выходе термопары будет пропорционально разности температур спаев.

Для бесконтактного измерения температуры используются оптические датчики, основанные на анализе отраженного или излучаемого объектом света, и акустические датчики, использующие зависимость скорости звука от температуры среды. Эти датчики используются при измерении температур в экстремальных условиях.

Для перемещений в малых диапазонах скорость может измеряться с помощью электромагнитных датчиков, основанных на возбуждении в катушке ЭДС при перемещении внутри нее постоянного магнита. При больших перемещениях для измерения скорости используется бесконтактный датчик, работающий на эффекте Доплера, суть которого состоит в том, что частота локационного сигнала (электромагнитного или акустического), отраженного от движущегося объекта, увеличивается пропорционально скорости, если объект приближается к излучателю, и уменьшается в противоположном случае.

Датчики ускорения, акселерометры, основаны на косвенном методе измерения, так как преобразуют силу инерции, действующую на массу в соответствии со вторым законом Ньютона. В зависимости от принципа действия преобразователей силы различают емкостные, пьезорезистивные, пьезоэлектрические акселерометры.

Одним из самых известных датчиков изменения направления движения объекта является гироскоп.

Все датчики расхода реализуют косвенные методы измерения, используя основные законы гидродинамики. Практически все датчики измеряют скорость движения жидкости или газа, а величина расхода рассчитывается с учетом площади поперечного сечения трубопровода. Существуют следующие виды датчиков:

- датчики скорости потока по перепаду давления;

- ультразвуковые расходомеры, измеряющие скорость на основе эффекта Доплера;

- электромагнитные расходомеры проводящей жидкости, основанные на измерении напряжения, индуцированного в соответствии с законом Фарадея в жидкости, движущейся в магнитном поле;

- тахометрические расходомеры с крыльчаткой и турбинные, в которых скорость движения потока преобразуется в скорость вращения и затем подсчитывается число оборотов вращающегося элемента.

В настоящее время наибольшее применение находят электростатические (конденсаторные) и пьезоэлектрические микрофоны; иногда используются электродинамические. Принцип действия этих микрофонов ясен из их названия, разновидностью электростатических микрофонов являются электретные. Электрет — это кристаллический диэлектрик с постоянной электрической поляризацией. Поэтому на пластинах конденсатора с диэлектриком из электрета присутствуют электрические заряды, которые создают электрический потенциал. Величина напряжения на высокоомной нагрузке, подключенной к последовательно соединенным электретному и воздушному конденсаторам, будет зависеть от емкости воздушного конденсатора. В электретном микрофоне одной из обкладок воздушного конденсатора является колеблющаяся мембрана, воспринимающая звук. Поэтому зазор воздушного конденсатора и, следовательно, его емкость будут изменяться в соответствии с изменением звука. Следует отметить, что обычный электростатический микрофон является параметрическим датчиком, а электретный — генераторным.

Существуют также оптоволоконные микрофоны, в которых мембрана, воспринимающая звук, помещена между торцами оптоволокон, и ее колебания модулируют интенсивность светового потока, излучаемого лазерным диодом, проходящего через оптоволокно и воспринимаемого фотодиодом.

Наибольшее применение находят емкостные и резистивные датчики. Принцип действия первых основан на том, что диэлектрическая проницаемость воздуха зависит от концентрации водяных паров. При построении резистивных датчиков используется тот факт, что удельное сопротивление многих неметаллических материалов зависит от содержания в них воды.

Наиболее распространенными оптическими датчиками являются фотодиоды, величина тока на выходе которых определяется величиной падающего светового потока. Более чувствительными являются фототранзисторы, которые объединяют в одном полупроводниковом приборе фотодиод и усилитель фототока, генерируемого фотодиодом. Естественно, что для выполнения функций усилителя фототранзистор должен иметь внешнее питание.

Параметрическими датчиками светового излучения являются фоторезисторы, изготовленные из материала (например, сульфида кадмия или селенида кадмия), удельное сопротивление которого зависит от освещенности.

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: