Диссертация (1026354), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Для сравнения, у27константана значение ρ равно 0,5 мкОм*м при модуле Юнга на уровне Е=2,0ГПа, а у резины Е=0.9 ГПа.Для нанесения пленок на корпуса микроджойстиков были разработаныспециальные лаки, позволяющие наносить пленки на поверхность пластмасс изжидкой фазы с последующей сушкой. Использование жидких лаков позволяетлегко регулировать толщину пленки путем нанесения дополнительных слоевлака, что позволяет регулировать сопротивление плеч микроджойстиков иосуществлять их корректировку при изготовлении.Разработанная рецептура позволяет создавать и сухие лакокрасочныепорошковые материалы для нанесения электропроводных пленок на любыепластмассовые или неметаллические изделия методом электростатическогонапыления.
Применение новых пленок позволило поднять чувствительностьсредств измерения примерно в 6 тысяч раз (по сравнению с фольговымиконстантановыми тензорезисторами). Небольшой отрезок пленки можноиспользовать в качестве высокочувствительного датчика деформации.Рисунок 1.10. Образцы тензочувствительной пленки на основе полиуретановыхполимеров и проводящих компонентовТензочувствительные пленки выдерживают деформации растяжения втысячи раз большие, чем стандартные металлические пленочные и фольговыетензорезисторы, при этом их адгезия к пластмассам и стойкость к циклическимдеформациям весьма высока. Это позволяет использовать их для измерения28деформаций пластмасс и резин самого широкого диапазона. Они легконаносятся на большинство материалов и не боятся влаги.Используя этипленки были разработаны очень простые и технологичные полимерныемикроджойстики.Основнымдостоинствомполимерногомикроджойстикаявляетсяпростота и технологичность конструкции.
Микроджойстик состоит всего издвух деталей - печатной платы и полимерного тензорезистивного элемента.Полимерный микроджойстик представлен на Рисунке 1.11Рисунок 1.11. Полимерный микроджойстикПолимерныемикроджойстикилишенынекоторыхнедостатковманипуляторов на основе датчиков Холла, значительно проще конструктивно,технологичнее в изготовлении, не требуют высоких капитальных и патентнолицензионных затрат на организацию производства. Они могут использоватьсякак полиморфные переключатели, что для микроджойстиков на эффекте Холлане всегда эргономично и экономически целесообразно.Полимерные микроджойстики могут производиться из отечественныхматериалов, а электронные платы могут быть укомплектованы отечественнымиэлектронными компонентами. Это особенно важно для оборонной техники.Длятребуетсяорганизацииприобретениепроизводства полимерныхдорогостоящихмикроджойстиков неимпортныхтехнологийиоборудования.
Для их производства может быть использовано до 70%оборудования имеющегося на приборостроительных заводах.При массовом производстве цена полимерных микроджойстиков сэлектронной платой должна составить не более 2 долларов.29Недостатками полимерных микроджойстиков являются:- недостаточная точность и линейность функции преобразования;- низкий ресурс, составляющий не более 200-300 тысяч нажатий;- необходимость дополнительной схемы оцифровки сигнала длясопряжения микроджойстика с цифровыми системами.1.2.3 Джойстики на основе магнитных чувствительных элементовВ настоящее время основными вариантами широко используемыхмагнитных преобразователей являются магниторезистивные датчики и датчикиХолла, включая свои разновидности [68 – 71, 79, 80, 84 – 86].Например, разновидностью магниторезистивных датчиков являютсядатчики на основе гигантского магниторезистивного эффекта (GMR), которыеустраняют слабое место обычных магниторезистивных датчиков и датчиковХолла, связанное с их высокой чувствительностью к флуктуациям воздушногозазора.Чувствительнымэлементоммагнитногопреобразователяявляетсямагниторезистор (полупроводниковый резистор), который под действием поддействием магнитного поля изменяет свое электрическое сопротивление.Для измерения токов и мощностей применяют датчики Холла.
Еслиподдерживать постоянной напряженность магнитного поля, то ЭДС Холлабудет изменяться пропорционально величине тока, протекающего через датчик.При помещении датчика Холла в магнитное поле, пропорциональноепротекающему через нагрузку току, и подачепропорциональногонапряжениюнанапряжения на его вход,нагрузке,тоЭДСХоллабудетпропорциональна мощности, выделяемой в нагрузке.Датчики Холла могут применяться для измерения силы, давлений, углов,перемещенийидругихнеэлектрическихвеличин.ДатчикиХоллаизготавливаются как в дискретном варианте, так и в интегральном.
Датчики30Холла на дискретных компонентах требуют от пользователя достаточных затратдля реализациипоследующейобработкисигналов.Поэтой причинепромышленности необходимы, главным образом, датчики, интегрированные сзаказными интегральными схемами.Одними из самых современных микроджойстиков, построенных наэффекте Холла, является семейство бесконтактных модульных джойстиковEasyPoint™ Joystick Encoder [36-38], производимых австрийской компанией«AustriaMicrosystems AG». Микроджойстик находит широкое применение вкоммуникаторах,специальнойибытовойтехнике.Внешнийвидмикроджойстика изображен на Рисунке 1.12.Рисунок 1.12. Микроджойстик N35P112 производства компанииAustriaMicrosystems AG, в сбореВ качестве чувствительного элемента микроджойстика используетсяинтегральная микросхема AS5013.
Микросхема AS5013 представляет собойинтегрированноеоднокристальноерешениедляпостроениямикроманипуляторов. Микросхема включает в себя массив из 5 датчиковХолла, АЦП, процессорный модуль и схему управления питания и детекциидвижения.Основными элементами микросхемы являются датчики Холла. 4 датчикарасполагаются по углам микросхемы на расстоянии 1,1 мм от центра.
Пятый31датчик находится в центре и предназначен для повышения линейности сигналапри отклонении магнита более чем на 1 мм от центра. Схема расположениядатчиков приведена на Рисунке 1.13.Рисунок 1.13. Расположение и сигнал датчиков Холла в AS5013.Чувствительный элемент AS5013 припаивается с обратной стороныпечатнойплаты.Приперемещенииуправляющейкнопкипроисходитперемещение магнитного поля встроенного в кнопку магнита.
Это приводит кизменению сигнала датчиков Холла микросхемы. На основе их показанийвырабатывается результирующий сигнал позиции управляющей кнопки покоординатам X и Y.Устройство микроджойстика показано на Рисунке 1.14.Рисунок 1.14. Устройство микроджойстика на основе датчика Холла32Миниджойстик EasyPoint™ обладает рядом серьезных достоинств, вчисле которых модульное исполнение как системы на кристалле, миниатюрныегабариты и малый вес, высокая линейность функции преобразования и высокоеразрешение сигнала (8 бит для каждой координаты). От резистивныхминиджойстиков EasyPoint™ выгодно отличается отсутствием внешнейаналоговой части.
Интегральная реализация со встроенным АЦП и модулемобработки позволяет избежать применения дополнительных внешних АЦП исвязанных с этим погрешностей измерения. Наличие цифрового интерфейсадает возможность простого использования миниджойстика в устройствах.Ресурс миниджойстика EasyPoint™ составляет не менее 1 миллионаотклонений в каждом направлении, что является одним из самых высокихпоказателей для существующих миниджойстиков.Однакоэтидостоинстванеявляютсяегоабсолютнымипреимуществами. Например, миниатюрность джойстика EasyPoint™ во многихприменениях является чрезмерной, что делает его применение в ряде устройствнецелесообразныминеэргономичнымбездополнительнойдоработкиустройств.Назвать это устройство полноценным микроджойстиком в принципенельзя.
Это, скорее всего, движковый двухкоординатный регулятор, так какуправляющие команды вырабатываются в нем не при наклоне управляющейручки на определенный угол, а при смещении (сдвиге) управляющей кнопки встороны от первоначального центра. Близким аналогом этого устройстваявляется джойстик-слайдер, описанный в п.
1.2.1. Геометрически смещениекнопки составляет от 0,7 до 3 мм, при мертвой зоне в точке 0, что не всегдаэргономично и удобно. При таких смещениях на управляющий сигнал начинаетвлиять так называемый статический тремор пальца человека, которыйсоставляет от 0,3 до 0,7 мм.Недостатками джойстиков на эффекте Холла и магниторезистивныхявляются:33- чувствительность к магнитным полям;- взаимное влияние магнитов соседних джойстиков, особенно приминиатюрном исполнении микроджостиков вроде EasyPoint™;- постепеннаяпотерясилыминиатюрныхмагнитоввмикроджойстиках;- сложность в производстве;- высокая цена.1.2.4 Оптические джойстикиОптические джойстики построены на использовании оптическогоизлучения видимого или ИК-спектра.Оптические джойстики можно условно разделить на два вида:- джойстики, построенные на основе оптических энкодеров;- джойстики и манипуляторы, построенные на основе измеренияинтенсивности оптического излучения.Энкодеры,илидатчикиуглаповорота,представляютсобойпреобразователи угол-код [41].
Энкодер предназначен для преобразования углаповорота поворотного механизма (вала) в электрические сигналы.Современные устройства в основном представляют собой миниатюрныеверсии датчика приближения с использованием прерывания света. В энкодересфокусированный луч света, направлен на совмещенный с излучателемфотоприемник,периодическипрерываетсявращающимсядиском,расположенным между приемником и передатчиком света и закрепленный навалу контролируемого объекта.
Диск может быть непрозрачным с отверстиями,либо прозрачным с нанесенным на него кодированным рисунком. Посравнению с более сложными преобразователями переменного тока, этопростая схема кодирования реализует цифровой вывод результатов с34оптических датчиков в недорогой надежной конструкции с хорошейпомехоустойчивостью.Существует два типа оптических энкодеров: инкрементальные иабсолютные. Инкрементальный энкодер формирует импульсы при поворотевала на определенный угол. Для определения направления вращенияиспользуются двухканальные (синусно-косинусные) энкодеры. При включенииэнкодера начальное положение вала не известно, поэтому такие энкодеры немогут применяться в джойстиках.Абсолютные энкодеры представляют собой более сложные устройства.Элементыиндивидуальнодискретногодетекторасовмещенысвфотоэлектрическойконцентрическимиматрицедорожкаминасветопрерывателе, создавая эффект бесконтактной реализации энкодера сщеточными контактами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
