05_0_Sen_P (775001), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рис. 1.6.7. Использование КТК для переключателя, датчика давления, устройства взвешивания и платы джойстика управления роботом.

Диэлектрические.

Емкостной

Прямой пьезоэлектрический эффект - появление электрических зарядов

Q_x = k F_x ( k - пьезоэлектрический модуль) на поверхности кристаллов с асимметричной внутренней структурой (кварц, турмалин, сегнетова соль) под влиянием механических напряжений - используется в манометрах переменного давления газа. Давление P через мембрану 1 передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 3 (дифференциальный емкостной преобразователь). Шарик 4 способствует равномерному распределению давления по поверхности. Средняя прокладка соединена с выводом 5. Разность потенциалов между выводом 5 и корпусом зависит от давления P:

U = 2 Q / ( C_п + C_о ) = 2 k S P / ( C _п+ C_о ),

где C_п - емкость преобразователя, C_о - емкость проводов и входной цепи прибора,

S- площадь мембраны. Возникающий заряд “стекает” по изоляции и входной цепи, поэтому необходимо высокое входное сопротивление (свыше 10¹² Ом) последующего усилителя. Из-за “стекания” заряда (теряется измеряемое значение силы) эти преобразователи используют только для быстро изменяющихся величин (переменных усилий, давлений, вибрации, ускорений).

Рис. 1.7. 9. Датчики (Sensor) силы (Force), давления (Pressure), ускорения (Accelerometer).

Датчик проскальзования для получения информации использует сапфировую иглу 1, закрепленную на кристалле сегнетоэлектрика 2 . Достаточно легкого сопрокосновения, чтобы сформировался импульс.

В металлообрабатывающих станках пьезодатчик используется для диагностирования работоспособности инструмента. В момент поломки инструмента импульс превышает предельное значение и запускает процедуру аварийной остановки оборудования.

Пьезокерамика на основе свинца, циркония и титана используется для реализации датчика давления в цилиндре двигателя (в том числе автомобильного США). По проводу (внутренней жиле кабеля) генерируемое напряжение подается к индикатору и системе автоматического регулирования.

корпус

пьезокерамика

электропровод

Рис. Схема пьезодатчика давления.

На основе пьезоэлектрической пленки можно реализовать тактильную поверхность с электродами - пикселами под пленкой. Заряд и, следовательно, потенциал пиксела будет зависеть от веса лежащей на поверхности детали или усилия соприкосновения руки робота с деталью.

Электреты - поляризованные диэлектрики, имеющие очень большое время релаксации, т.е. способные длительное время находится в наэлектризованном состоянии (электрический аналог постоянного магнита).

м еталлическая

м ембрана

э лектрет I R U

э лектрод

Рис. Схема электретного датчика давления.

При движении мембраны в результате изменения емкости системы изменяется распределение заряда - во внешней цепи протекает ток I - формируется импульс. Фиксируется не постоянное воздействие, а изменение параметра единовременное или периодическое. Электретный датчик удобен для бесконтактного определения загрузки оборудования по импульсу напряжения. I --> U. Изменение емкости может фиксироваться по изменению частоты резонансного контура: С  f.

Электретными свойствами обладает тефлоновая пленка, подвергнувшаяся воздействию электрического заряда порядка 100 В с помощью электронного луча или коронного разряда (электроэлектрет), а также воздействию температуры (термоэлектрет). Пленка металлизируется Al с рисунком электродов - пиксел, образуя тактильную поверхность. Мембрана размещается в захвате робота.

Магнитострикционные датчики используют свойство ферромагнитных материалов сердечников изменять магнитную проницаемость материала  при механическом воздействии. Под действием магнитного поля в магнетиках домены переходят от хаотической ориентации к упорядоченной, что влечет за собой деформацию кристаллической решетки, изменение размеров образца - прямой эффект магнитострикции. При снятии магнитного поля первоначальная структура восстанавливается, т.к. энергетически выгодна при существующей температуре.

Коэффициент магнитострикции

а_м =  l / l,

может быть положительным и отрицательным.

При этом изменяется индуктивность L и взаимная индуктивность М.

P   L(M)   I   U.

Оптические датчики.

Светодиодный датчик (рис. А85-6) использует влияние давления на напряжение u_D прямого смещения диода из GaAs. Вольтамперная характеристика описывается уравнением Шокли:

i_D = i₀ (exp( e u_D / k T) - 1 ),

где i_D - ток через диод, i₀ - обратный ток утечки для диода, e - заряд электрона,

k - постоянная Больцмана. Давление от мембраны (3) передается светодиоду (4) через жидкость (метанол), заполнявшую герметичную трубку (1). Изменяется ток через диод i_D.

Оптический манометр включает мембрану, которая отражает свет в волоконно-оптическом жгуты А и В. Свет подается через жгут Б. В зависимости от прогиба мембраны будет меняться соотношение амплитуд отраженного сигнала в жгутах А и Б. Датчик для малых давлений может быть миниатюрным при диаметре серцевины 70 мкм (n = 1.62) и толщине оболочки 3.5 мкм (n = 1.52). Для датчиков при Р < 33 Па мембрана изготавливается из пленки поликарбоната толщиной 0.13 мм и диаметром 2.2 мм, для давлений до 532 Па - из пластины кремний 0.3 мм диаметром 10.4 мм.

Деформер представляет собой 2 гребенчатые пластины, между которыми помещено волокно. Поскольку под воздействием внешних факторов волокно деформируется, углы распространения изменяются. Это влечет за собой изменение поглощения световой энергии или фазы светового сигнала. Составляются градуировочные зависимости, по которым и определяются давление в зависимости от степени сжатия гребенок деформера. При измерении давление учитывается влияние температуры.

Р а J(I) U.

Рис. Траектории лучей, выходящих наружу из-за микроизгибов.

Датчики давления подвижных объектов могут передавать информацию без проводов.

Рис. Беспроводной датчик давления колеса автомобиля.

Подвижность объектов используется для получения энергии питания. Так многослойная (металл – пьезоэлектрик – металл) консоль вибрирует во время движения. Пьезоэффект преобразует вибрации в переменный ток.

Рис. Структура и конструкции консольной пьезоэлектрической батареи.

Достоинсива	Недостатки
Тензометрический (КНС-преобразователи)
Высокая степень защиты от агрессивной среды Высокий предел рабочей температуры Налажено серийное производство Низкая стоимость	Неустранимая нестабильность градуировачной характеристики Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций
Пьезорезистивный (на монокристаллическом кремнии)
Высокая стабильность характеристик Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям Низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты Высокая точность Низкая цена Возможность измерять давление различных агрессивных средств	Ограничение по температуре (до 150ºC)
Емкостной
Высокая точность Высокая стабильность характеристик Возможность измерять низкий вакуум Простота конструкции	Зачастую, нелинейная зависимость емкости от приложенного давления Необходимо дополнительное оборудование или электричекая схема для преобразования емкостной зависимости в один из стандартных выходных сигналов
Резонансный
Высокая стабильность характеристик Высокая точность измерения давления	При измерении давления агрессивных сред необходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точности измерения Высокая цена Длительное время отклика Индивидуальная характеристика преобразования давления в электрический сигнал
Индукционный
Возможность измерять дифференциальные давления с высокой точностью Незначительное влияние температуры на точность измерения	Сильное влияние магнитного поля Чувствительность к вибрациям и ударам

Характеристики

Список файлов лекций