Тема 7. Датчики перемещений, положения, уровня, ускорения.

Датчики перемещений, положения, уровня: потенциометрические, гравитационные, ёмкостные, индукционные и магнитные датчики, оптические, ультразвуковые. Датчики толщины и уровня. Пьезорезистивные, пьезоэлектрические и емкостные датчики ускорения.

Датчик перемещения — это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Все датчики перемещения можно разделить на две основных категории датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения.

По принципу действия датчики перемещения могут быть: емкостными, оптическими, индуктивными, вихретоковыми, ультразвуковыми, магниторезистивными, потенциометрическими, магнитострикционными и датчики на основе эффекта Холла.

Емкостные датчики перемещения. В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь емкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идет об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия.

Индуктивные датчики перемещения. В одной из конфигураций датчика данного типа чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника, что вызывает изменение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками трансформатор.

Вихретоковые датчики перемещения. Датчики данного типа содержат генератор магнитного поля и регистратор, с помощью которого определяется величина индукции вторичных магнитных полей. Вблизи интересующего объекта генератор создает магнитное поле, которое, пронизывая материал объекта, порождает в его объеме вихревые токи, которые, в свою очередь, создают вторичное магнитное поле.

Ультразвуковые датчики перемещения. В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара – фиксируются отраженные от объекта ультразвуковые волны, поэтому структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором, которые обычно заключены в компактный корпус.

Магниторезистивные датчики перемещения. В магниторезистивных датчиках перемещения используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля.

Датчики на основе эффекта Холла. Датчики этого типа имеют конструкцию подобную конструкции магниторезистивных датчиков, однако в основу их работы положен эффект Холла — прохождение тока через проводник, на который воздействует внешнее магнитное поле, приводит к возникновению разности потенциалов в поперечном сечении проводника.

Потенциометрические датчики перемещения. Датчик данного типа в своей основе имеет электрический контур, содержащий потенциометр. Линейное перемещение объекта приводит к изменению сопротивления потенциометра (переменного резистора).

Датчик движения представляет собой устройство, при помощи которого в зоне обнаружения можно определить движение объекта. Применяются такие приборы в охранной сигнализации (в таком случае они имеют название инфракрасных извещателей), а также в быту – для автоматического включения освещения. Мы рассматриваем датчики, которые используются в системах охранной сигнализации.

Виды датчиков движения.

По принципу действия:

• инфракрасные;

• ультразвуковые;

• радиоволновые;

• совмещенные.

По конструкционным особенностям:

• 1-позиционные. Когда приемник и передатчик расположены в одном блоке;

• 2-х позиционные. Передатчик и приемник – в разных блоках;

• многопозиционные. Когда в системе находится больше двух блоков приемников и передатчиков.

Датчики движения бывают:

• активные датчики движения. В этом случае используется передатчик, который излучает один или несколько инфракрасных лучей, и приемник, который их улавливает. В случае пересечения человеком лучей, выдается соответствующий сигнал;

• пассивные датчики движения. Передатчика нет, есть приемник ИК излучения человека, который реагирует на тепло и выдает соответствующий сигнал на выходное реле. В низкочастотной области (в полосе частот порядка 1 Гц) довольно хорошую точность измерений обеспечивают датчики положения и перемещения объектов. В зоне средних частот (менее 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики скорости. Тогда как на высоких частотах, когда перемещения соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения. Как правило, применяется метод сравнения с эталонными величинами. Принцип действия таких детекторов часто основан на измерении перемещений объекта относительно некоторого эталонного объекта, который часто входит в состав самого детектора. Поэтому чувствительный элемент, реагирующий на перемещение объекта, является одним из компонентов многих датчиков скорости и ускорения. Иногда таких элементов в составе датчиков скорости и акселерометров нет, поскольку они сами преобразуют свое движение в электрические сигналы. Например, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе поля. Линейные датчики скорости построены на принципе магнитной индукции.

Акселерометры считаются устройствами с одной степенью свободы. В состав всех акселерометров входят: специальный элемент, называемый инерционной массой, движение которого отстает от движения корпуса, упругая поддерживающая система (пружина) и демпфирующее устройство.

По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на

однокомпонентные, двухкомпонентные, трехкомпонентные. Соответственно, они позволяют измерять ускорение вдоль одной, двух и трех осей.

Пьезоэлектрический акселерометр.

Чувствительным элементом пьезорезистивных акселерометров является тензодатчик, измеряющий деформацию пьезорезистивных элементов, поддерживающих инерционную массу, путем измерения их сопротивлений, зависящих от степени деформации. Эта деформация пропорциональна величине и скорости перемещения массы, а значит и ускорению. Такие устройства могут измерять ускорения в широком частотном диапазоне: 0...13 кГц. При разработке соответствующей конструкции пьезорезистивные акселерометры выдерживают перегрузку, равную 10000g.

Пьезоэлектрический акселерометр.

В основе пьезоэлектрических акселерометров лежит пьезоэлектрический эффект, заключающийся в прямом преобразовании механической энергии в электрическую в материалах, имеющих кристаллическую структуру с электрическими диполями. Для улучшения частотных характеристик пьезоэлектрический сигнал усиливается при помощи преобразователей заряд-напряжение или ток-напряжение. Эти датчики работают в широком температурном диапазоне (до 120 градусов по С) с высокой линейностью в частотном диапазоне 2 Гц до 5 кГц.

Емкостные акселерометры.

Емкостной метод преобразования перемещений в электрический сигнал является самым проверенным и надежным. Емкостной датчик ускорений состоит, по крайней мере, из двух пластин: стационарной, часто соединенной с корпусом, и свободно перемещающейся внутри корпуса, к которой подсоединена инерционная масса. Эти пластины формируют конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния между ними, а значит и от ускорения движения, испытываемого датчиком. Максимальное перемещение, определяемое емкостным акселерометром, редко превышает 20 мкм. Следовательно, в таких датчиках всегда необходимо компенсировать дрейф различных параметров, а также подавлять всевозможные помехи. Поэтому обычно акселерометры имеют дифференциальную структуру, для чего в их состав вводится дополнительный конденсатор, емкость которого должна быть близка к емкости основного конденсатора. При этом напряжения на конденсаторы подаются со сдвигом фаз 180°. Тогда величина ускорения датчика будет пропорциональна разности значений емкостей конденсаторов.