Гравитационные датчики

К хорошо известным гравитационным детекторам уровня относятся датчики, ис­пользуемые в туалетных бачках. Главным элементом таких преобразователей яв­ляется поплавок — устройство, обладающее меньшей чем у воды плотностью. В большинстве бачков поплавок напрямую связан с водопроводным краном, и в зависимости от уровня воды открывает или перекрывает его. Поплавок, по своей сути, является детектором положения поверхности воды. Если уровень воды не­обходимо не только отслеживать, но и измерять, к поплавку можно подключить преобразователь положения: потенциометрический, магнитный, емкостной или какой-либо иной датчик прямого действия (рис. 7.1Б). Следует отметить, что гра­витационные датчики восприимчивы к различным помехам, источниками кото­рых являются трение и ускорение. Очевидно, что такие датчики не работают в условиях отсутствия гравитационных сил или в условиях переменной гравитации, например, на космических станциях или реактивных самолетах.

Уровнемеры, определяющие угол наклона объекта относительно направления
к центру тяжести Земли, используются при строительстве дорог, в инерционных
навигационных системах, в механических станках и других устройствах. Одним
из самых старых, но до сих пор очень популярным детектором положения являет­
ся ртутный переключатель (рис. 7.ЗА и 7.3Б), состоящий из непроводящей трубки
(часто стеклянной), двух электрических контактов и капли ртути. Когда датчик
наклонен относительно вектора гравитационной силы в одну сторону, капля рту­
ти перемещается в противоположном от контактов направлении, переключатель
размыкается. Изменение ориентации устройства приводит к тому, что ртуть ска­
тывается в сторону контактов, закорачивая их, переключатель при этом замыка­
ется. Ртутные переключатели применяются в бытовых термостатах, где они мон­
тируются на биметаллической катушке, используемой в качестве чувствительно­
го элемента, реагирующего на изменение окружающей температуры. При повы­
шении или понижении комнатной температуры меняется изгиб катушки, кото­
рый определяет ориентацию переключателя. Замыкание и размыкание контак­
тов ртутного ключа управляет система­
ми нагрева и охлаждения. Очевидный
_недостаток такой системы заключается

в ее постоянном включении-выключе­нии (на техническом языке — в двухпо- зиционном управлении). Ртутный пе­реключатель является пороговым уст­ройством, меняющим свое состояние в момент, когда угол его поворота превы­шает заданное значение.

(А) (Б) (В)

Рис. 7.4. Оптоэлектронные датчики наклона: А — конструкция, Б — тень от пу­зырька воздуха при горизонтальном положении датчика, В — тень от пузырька при его наклонном положении

Для более точного определения угловых перемещений применяются более слож­ные устройства. На рис. 7.3В показано одно из них, называемое электролитическим датчиком наклона. Этот датчик состоит из небольшой, слегка изогнутой стеклянной трубки, частично заполненной электролитом, в которой размещены три электрода: два — на концах, а один — по центру. Находящийся внутри трубки воздушный пузырь перемещается вдоль нее при ее наклоне в ту или другую сторону. В зависимости от расположения пузыря меняются электрические сопротивления между центральным и боковыми электродами. Как только положение трубки перестает бьп ь горизонталь­ным, пропорционально ее углу наклона меняются и значения сопротивлений. Элек­троды включаются в мостовую схему, питаемую переменным током.

Электролитические датчики наклона выпускаются несколькими кампания­ми (например, The Fredericks Company, Huntingdon Valley, PA) для измерения ши­рокого диапазона углов: ±1°...±80°. В зависимости от измеряемого диапазона ме­няется и степень изогнутости стеклянных трубок.

Еще более точными устройствами для измерения углов наклона являются дат­чики, реализованные на основе фотодиодной матрицы [1]. Устройства этого типа применяются в строительстве и на механических производствах для определения с высоким разрешением формы сложных объектов. Например, такие детекторы ис­пользуются для оценки формы дорог и земельных участков, а также контроля рав­номерности листов стали, что нельзя выполнить традиционными методами. Опто-электронный датчик наклона (рис. 7.4А) состоит из светоизлучающего диода (СИД) и спиртового нивелира в форме полусферы, смонтированного на фотодиодной мат­рице р-n типа. Тень пузырька воздуха в жидкости нивелира проектируется на по­верхность фотодиодной матрицы. Если датчик находится в строго горизонтальном положении, тень от пузырька является круглой (рис. 7.4Б), и площади участков тени,

Глава 7. Детекторы положения, перемещений и уровня

попадающих на разные фотодиоды матрицы, будут равны. При наклоне датчика тень от пузырька принимает вид смещенного от центра эллипса (рис. 7.4В), оче­видно, что при этом токи на выходах каждого фотодиода будут разными. Наиболее распространенные датчики имеют следующие технические параметры: диаметр СИД — 10 мм; расстояние между СИД и нивелиром - 50 мм, диаметры стеклянной полу­сферы и пузырька — 17 и 9 мм. Выходные сигналы диодов преобразуются в цифро­вой код и калибруются при разных углах наклона. Данные калибровки заносятся в специальные таблицы, используемые вычислительными устройствами при обра­ботке полученных значений. Для определения формы объекта оптоэлектронный датчик поочередно помещается в узлы сетки, образованной равномерно нанесен­ными на поверхности объекта вертикальными и горизонтальными линиями. В ре­зультате этой процедуры находятся координаты х и у угла наклона в каждом узле сетки, по которым компьютер восстанавливает форму объекта.

Емкостные датчики

Емкостные датчики перемещений имеют широкую сферу применения. Они мо­гут использоваться как самостоятельно для определения положения и перемеще­ния объектов, так и входить в состав других датчиков, в которых перемещения отдельных элементов вызываются воздействием на них различных сил, давления, температуры и т.д. Поскольку емкостные датчики могут измерять перемещения объектов, изготовленных практически из любых материалов, они применяются повсеместно. Из уравнения (3.20), приведенного в главе 3, следует, что емкость плоского конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластина­ми. Принцип действия емкостных датчиков основывается либо на изменении гео­метрии конденсатора (т.е. на изменении расстояния между пластинами), либо на изменении емкости за счет размещения между пластинами различных материа­лов: электропроводных или диэлектрических. Изменения емкости, как правило, преобразуются в переменный электрический сигнал. Емкостные датчики могут быть однополярными (в их состав входит только один конденсатор), дифферен­циальными (в их состав входят два конденсатора) или мостовыми (здесь уже ис­пользуются четыре конденсатора). В случае дифференциальных или мостовых датчиков, один или два конденсатора являются либо постоянными, либо пере­менными, включенными навстречу друг другу.

В примере, показанном на рис. 7.5, рассматриваются три пластины одинако­вой площади А. Эти пластины формируют два конденсатора С₁ и С₂ На две край­ние пластины подаются синусоидальные сигналы одинаковой амплитуды, но с разностью фаз, равной 180°. Поскольку оба конденсатора являются одинаковы­ми, токи через них взаимно уничтожают друг друга, и потенциал центральной пла­стины практически равен нулю. Теперь рассмотрим ситуацию, когда центральная пластина сместилась вниз на расстояние х (рис. 7.5Б). Это приведет к изменению емкостей конденсаторов С₁ и С₂:

7.3. Емкостные датчики

При этом амплитуда сигнала на центральной пластине будет пропорциональна величине перемещения х, а фаза — направлению движения. Амплитуду выходно­го сигнала можно найти из выражения:

При выполнении условия х‹‹х₀, вы­ходное напряжение практически ли­нейно зависит от перемещения. Вто­рой член суммы соответствует исход­ному рассогласованию двух конден­саторов и является основной причи­ной возникновения напряжения сме­щения выходного сигнала. Краевые эффекты на концах пластин и дей­ствие электростатических сил также относятся к причинам появления на­пряжения смещения. В результате действия силы притяжения или от­талкивания между двумя заряженны­ми пластинами, они ведут себя как пружины. Мгновенное значение этой силы определяется выражением:

На практике при измерении перемещения электропроводного объекта, его по­верхность часто играет роль пластины конденсатора. На рис.7.6А показана прин­ципиальная схема однополярного емкостного датчика, в котором одна из пластин конденсатора соединена с центральным проводником коаксиального кабеля, а дру­гой пластиной является сам объект. Отметим, что собственная пластина датчика окружается заземленным экраном, что позволяет улучшать линейность и умень­шать краевые эффекты. Типовой емкостной датчик работает на частотах 3-МГц ди­апазона и может детектировать перемещения быстро двигающихся объектов. Час­тотные характеристики такого датчика со встроенным электронным интерфейсом лежат в диапазоне 40 кГц. Емкостные датчики приближения очень эффективны при работе с электропроводными объектами, при этом они измеряют емкость между электродом и самим объектом. Емкостные датчики также достаточно хорошо рабо­тают и с непроводящими объектами, но при этом их точность несколько ухудшает­ся. Любой объект, попадающий в окрестность электрода, обладает своими собствен­ными диэлектрическими свойствами, которые изменяют емкость между электро­дом и корпусом датчика, что, в свою очередь, приводит к появлению выходного сигнала, пропорционального расстоянию между объектом и детектором.

Глава 7. Детекторы положения, перемещений и уровня

Для повышения чувствительности и снижения краевых эффектов в однопо-лярном емкостном датчике применяют активное экранирование. При этом экран размещается вокруг нерабочих сторон электрода и на него подается напряжение, равное напряжению на электроде. Поскольку напряжения на экране и электроде имеют одинаковые амплитуды и фазы, между ними нет электрического поля, и все компоненты, расположенные за экраном не оказывают никакого влияния на рабо­ту датчика. Этод метод экранирования проиллюстрирован на рис. 7.7.

Рис.7.6. Емкостной датчик с экранирующим кольцом: А — поперечное сече­ние, Б — внешний вид. (Напечатано с разрешения ADE Technologies, Inc., Newton, MA)

В последние годы очень популярными стали мостовые емкостные датчики перемещений [2]. На рис. 7.8А показан линейный мостовой емкостной датчик перемещений [3], состоящий из двух групп плоских электродов, расположенных параллельно на фиксированном расстоянии d. Для увеличения емкости расстоя­ние между электродами делается достаточно маленьким. Стационарная группа электродов состоит из четырех прямоугольных элементов, а подвижная группа -из двух. Все шесть элементов имеют одинаковые размеры (размер боковой сторо-

7.4. Индуктивные и магнитные датчики

ны равен b). Для увеличения диапа­зона линейности желательно делать размер каждого элемента, как мож­но, большим (здесь, как правило, начинают сказываться ограничения по механической прочности). Четы­ре электрода стационарной группы перекрестно соединены друг с дру­гом электрическими проводами, что делается для формирования емкос­тной схемы мостового типа.

На мостовую схему подается си­нусоидальное напряжение с часто­той 5...50 кГц. Дифференциальный усилитель усиливает разность на­пряжений между парой электродов в подвижной группе. Выходной сиг­нал усилителя поступает на вход синхронного детектора. Емкость конденсатора, сформированного двумя параллельными пластинами,расположенными на фиксированом расстоянии друг от друга, про­порциональна площади части подвижной пластины, расположенной напротив со­ответствующей области стационарной пластины. На рис.7.8Б показана эквива­лентная схема датчика перемещений с конфигурацией емкостного моста. Вели­чина конденсатора С, определяется выражением:

Остальные значения емкостей вычисляются по аналогичным уравнениям. От­метим, что емкости конденсаторов, расположенных напротив друг друга, при­близительно равны между собой: С, = С₃, а С₂ = С₄. Нарушение симметричности расположения пластин приводит к разбалансу моста и появлению сигнала на выходе дифференциального усилителя. Емкостная мостовая схема обладает все­ми достоинствами, присущими любой мостовой схеме: линейностью и высокой помехозащищенностью. Подобные датчики могут быть реализованы не только с плоскими электродами. Такой метод построения датчиков применим к любым симметричным конфигурациям (например, для построения детекторов враща­тельного движения).

Поиск по сайту: