Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Правильный выбор частоты сети уменьшает помехи и магнитные потери. Х., мГн Рис. 2.4. Дифференциальное вклгоченис электромагнитного ЧЭ в дроссельной (а) и трансформаторной (б) схемах, а также его функции преобразования (а): ! — подвижный сердечник; 2 — — катушки 2.!. Чувствительные элементы датчикое В зависимости от диапазона измерений применяют схемы с продольным и поперечным перемещением сердечника, В первом случае (см, рис. 2.4, б) сердечник перемещается вдоль своей главной оси инерции, во втором (см.
рис. 2.4, а) — перпендикулярно ей. Индуктивные ЧЭ широко используют при построении бесконтактных датчиков перемещения. В частности, дифференциальные схемы с продольным перемещением сердечника позволяют измерять расстояния 1...500 мм, а с поперечным — от 20 мкм до 1 мм. При использовании сердечников длиной, равной длине катушки, регистрируемое перемещение может достигать 80 % от длины сердечника. Сравнительная характеристика нескольких моделей электромагнитных ЧЗ дана в табл. 2.3. Тиблпци 2.3 ~ Напряжение источника питания.
""" При расстоянии до объекта 7 мм. 2.1.3. Преобразователи Холла важ$ эфф олло ~сиших для пра ект Холла — из ктических вестно боле Балтиморе вердил теор ом Ксльви о золотой н е было пер ет разность м, сотрудником ытисм он подт до этого лорд нит относительн м откр 30 лет ь маг тобы магнитное пол онами возникн и стор циопально с му иреобраз ых ЧЭ'. жение пропор ции В. Поэто лектромагнитн напря индук стью э прибо атчик которо ры, использую|пие СВЧ излучения. В Й применялось это Одно из явлсний— 1879 г. Э.
Х кинса. Эти женную за расположит ток 1, так, ч ее боковым ~!',::::::::-.::::. Холла. Это магнитной разиовид!ю был создан д клавиатура, в Основные параметры электромагнитных ЧЭ приложений с 100 лет, о кого универс ию движени ном. Холл о ластинки, и пендикулярн потснциало иле тока 1 ователи Ло гальваномагнитных но было открыто в итета им. Дж. Хопя электронов, излобнаружил, что если о которой протекает о пластинке, между в УХ вЂ” напряжение чсрез проводник и лла можно считать эффект Холла, появились в 50-е годы ХХ в., когда !968 г. была изготовлена первая полупроводниковая явление.
2. 3леиенты нлформаунолиых систем Наиболее известно использование преобразователей Холла в магнето- метрах, измерителях параметров магнитного поля, датчиках перемещений и др. Например, датчик перемещений состоит из двух основных элементов— преобразователя Холла и магнита, подвижных один относительно другого. Переме|пение: маги~та относительно ЧЭ вызывает сигнал, пропорциональный этому перемещению. Самыми распространенными материалами преобразователей Холла являются полупроводниковые структуры на базе ОаАз, 1пАа, ЬБЬ и др. Рие. 2.5. Схема преобразователя Холла: / — - металлическая пластинка; 2 — магнитные силоаме линии: 3 — магнит; 4 — линли тока Датчик, содержащий преобразовагсль Холла, относится к классу генераторных. Его выходным сигналом является напряжение Холла Ух, которое возникает в случае, если через находящийся в магнитном поле кристалл протекает опорный ток / „~рис.
2.5). Функцию преобразования ЧЭ Холла можно представить в виде 1 де Ьх — постоянная Холла; й — эффективная толщина полупроводникового слоя; В яп Π— составляющая индукции внешнего магнитного поля, перпендикулярная плоскости кристалла. Для металлов РХ = =10 см /Кл, для полупроводников Ях =10 см /Кл. -3 3 3 Постоянная Холла зависит от температуры, ес температурная чувствительность 5тх — -~1...3) 10 К ~. Если /„л = сопв~ и 6 = сопЫ, то Ух =В1. В этом случае ЬУх — — 5хЬВ~, где 5х —— йх/ „ /Ь вЂ” чувствительность преобразователя Холла. Конструктивной особенностью ЧЭ этого типа является то, что линии съема сигнала располагаются перпендикулярно направлению протекания тока. 2.1.
Чуветвшпельные элементы дитчиков Используя приведенные на рис, 2.6, б графики, можно найти Л~4ы„ при изменении Лв~ для известного Уип. Погрешность преобразователя составляет 1..2 %. живых 8 Ц,п=16В 0 40 В!, мтл Рис. 2.6; Микросхема Холла (а) и сс функция преобразования (6): 1 — элемент Холла; 2 — стабилизатор напряжения; 3 — эмнттерный повторитель; 4 — операционный усилитель Часто датчик с преобразователем Холла имеет релейпый выход. В этом случае оконечный каскад микросхемы содержит триггер Шмитта и транзистор с открытым коллектором, что позволяет использовать разные шины питания микросхемы и нагрузки. Такис микросхемы устанавливают в датчиках положения, тока, тахометрах, бесконтактных переключателях, магнитных карточках и замках. В измерительных устройствах используют также интегральные микросхемы, принцип действия которых основан на эффекте Холла. В состав такой микросхемы (рис.
2.6, а) входят: ЧЭ Холла, стабилизатор опорного напряжения, операционный усилитель и эмиттерный повторитель. Выходное напряжение ~4ы„зависит от напряжения Холла и коэффициента усиления схемы. В отсутствии магнитного поля У„ы„= О; если питание микросхемы осуществляется от однополярного исгочника как на рис. 2.6, а, то У„ы„= =У„„/2. Напряжение Холла невелико и .составляет около 30 мВ при В1 = 10 мТл, что требует установки операционного усилителя.
Эмиттсрный повторитель уменьшает выходное сопротивление микросхемы. Магнитные поля большой силы пе разрушают датчик Холла, а лишь переводят его в режим насыщения с У ы„< Уип. Чувствительность микросхемы Сравнигельная характеристика некоторых преобразователей Холла дана в табл.
2.4. Т~гблица 2.4 Основные параметры датчиков Холла Примечание, Здесь и далее Н.д, — нет данных. 2.1.4. Оптические чувствительные элементы В качестве опиических ЧЗ. чаще всего используют оптронные пары свстоизлучатель — фотоэлемент.
Первыми излучателями были вакуумные нли газонаполнснные лампы, получившие название ламп накаливания. Их достоинство — сравнительно большая мощность излучения и стабильная температурная характеристика в широком диапазоне температур от -6О до 150 "С ~1зис. 2,7, а). Причем необходимый уровень выходного сигнала достигается уже при 50-процентной выходной мощности, что позволяет увеличить ресурс работы ЧЭ пугем снижения Уип. Так, для лампы с Уип = 6 В, имеющей срок службы 1ОО ч, при понижении У„п до 4 В ресурс возрастает до 1ОООО ч. Кроме того, высокая мощность излучения позволяет снизить требования к чувствительности и помехозащищенности фотоприемников.
Применение ламп накаливания в фотоэлектрических датчиках положения позволяет непосредственно сформировать «линию считывания» и тем самым обойтись без щелевых диафрагм. Такое простое техническое решение вдвое увеличивает разрешающую способность датчика. В последнее время в промышленных датчиках положения все чаще испол~зу~т излучающие полупроводниковые диоды — светодиоды. Их действие основано на явлении электролюминесценции~..
Яркость свечения светодиода пропорциональна току через него. Для рассмотренных типов излучателей свойственно постепенное уменьшение излучаемой мощности с течением времени (рйс. 2.7, 6). Электролюминесценции газов — свечение газового разряда — известна давно. Применительно к твердым телам она была открыта О. Лосевым в 1923 г.
Сейчас чаае всего для злсктролкьшнесцснции используют полупроводниковые материалы, где она проявляется в «излучательной рекомбинации» носителей в прямосмещенном р — л-переходе. 2.1. Чувствителы<ые элементы датчиков Ниже приведены основные параметры светодиодов: Мощность излучения Р, Вт ......,...,.........................,...,.....,......... до 1,0 Ширина спектральной характеристики 5(Х) науровне 0,5Р1Р.„, нм...............,..........,............,....,.............. до 50 Длина волны Х, соответствующая максимуму 5(Х), мкм.........
0,4...1,2 Угол направленности ЛО, град,...........,..............,..........,......,..... 60...160 Направленность излучателя представляет собой свойство концентрации излучаемой моп1ности в относительно малом телесном угле. Диа;.рамма направленности (рис. 2.7, в) характеризует зависимость мощности излучения Р от его направления г (или угла О): В(г) = Рт Р(г0) 0 0 Ртах 1 1,0 Р Рвах 1,0 60 60 0,5 0,5 75 90 75 О 2 5 -40 О 40 100 Т;С О вЂ” 10 10 1О ~,ч а 6 в Рнс. 2.7. Температурные (а) и временные (6) характеристики лампы накаливания (1) и светодиода (2) и диаграмма направленности светодиода (в) Направленис го соответствует мощносги излучения Р„„„, совпадающей с перпендикуляром к излучающей поверхности.
При использовании полярных координат угол О обычно выбирают из условия Р/Р„, > 0,8. По массогабаритным показателям — надежности, быстродействию и потребляемой мощности — светодиоды превосходят лампы накаливания. Их срок службы превышает 10 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 дейсгвия лазера основан на способности некоторой активной среды под действием внешнего электромагнитного излучения определенной частоты формировать когерептное монохроматическос излучсние . ' Бпсрвыс эта идея была прсдложсна В.
Фабрикантом н Д. Бсбсром в 1951 г., а реализована Д. Гордоном, Х. 1.1айгсром и Ч, Таунсом в 1954 г. 63 2. Элелеюпы информпциопных еиппем 1, мкА 4р, мА 0,8 0,6 0,4 0„2 ~т 0 0,2 1,0 Ф~,лм Рис. 2.8. Вольт-ампсрная характсрнстика (а) н функция преобразования (6) фотодиодв Особенностью лазерного излучения является очень острая диаграмма направленности и исключитель~о м~лый диаметр фокального пятна (в датчиках положения менее 0,1 мкм). Толщина полупроводникового пакета из трех слоев не превышает 1ОО мкм, а стороны пакета имеют длину 400 мкм и ширину ЗОО мкм Генерация света происходит в активном слое баАз при прохождении через него тока.
Большинство лазерных диодов излучает свет в ИК диапазоне. Длина волны?, 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 10 ч. Недостаток лазерных диодов — сравнительно 5 большие потери оптической энергии. Действие приемников света, в качестве которых чаще всего использукп фотодиоды и фототранзисторы, основано на внутреннем фотоэффекте.
Фопгодиод представляет собой полупроводниковый диод на базе Р— лперехода или барьера металл — полупроводник, смещенного в обратном направлении. 11ри этом обратный ток фотодиода зависит от освещенности его р — -п-перехода. При освещении выпрямляющего р —.. -л-перехода световым потоком Ф, происходит генерация избыточных носителей и обратный ток фотодиода возрастает на величину 1ф, называемую фототоком (рис. 2.8, а). Обратное смещение перехода составляет 10 ..ЗО В. Фотоприемники изготавливают на основе германия, кремния, свинца, индия, они имеют линсйную функцию преобразования. Так, в качестве приемников для светодиодов из СаАз используют кремниевые фотодиоды„для которых максимум спектральной чувствительности приблизительно соответствует 1,4 эВ. 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
