WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаТехнічні науки → Загальна характеристика датчиків - Курсова робота

Загальна характеристика датчиків - Курсова робота

Рис.1 П'єзоелектричний датчик тиску

Під дією тиску діафрагма натискає на кристал і на тому з'являється напруга, що пропорційна тиску. Ці датчики доцільно застосовувати, якщо вимірюється тиск, що швидко змінюється. Головна якість цих датчиків – високі динамічні характеристики (частоти до десятків МГц). Реальна конструкція такого датчика показана на рис.13.

Рис.13. Конструкція п'єзоелектричного датчику тиску

Р – вимірюваний тиск, 1 – п'єзопластини, 2 – гайка з діелектрику, 3 – електричний вивід, 4 – корпус, що є другим виводом, 5 – ізолятор, 6 – металічний електрод.

Тензорезистивні датчики

Тензорезистивний ефект – зміна електричного опору резистора під впливом розтягування або стиснення. Опір будь-якого дроту залежить від його довжини та зрізу у відповідності до формули:

R = rL/S,

де r - питомий опір металу при заданій довжині та зрізу, L- довжина дроту, S – його зріз. Якщо до цього дроту надати фізичне зусилля, він витягнеться, а його зріз зменшиться. Обидва фактори збільшують опір дроту як резистора. При стисненні ці фактори впливають у зворотному напрямку. Для збільшення впливу тиску дріт вкладають у вигляді багатьох витків на непровідній основі, як це показано на рис.14.

Рис.14 Конструкція тензорезистивного датчика

Для збільшення чутливості тензорезистивний датчик встановлюють як елемент моста, діагональ якого підключається до входів операційного підсилювача, як це показано на рис.15.

Рис.15. Схема використання тензорезистивного датчика

Зміна опору тензорезистивного датчика Rs1 призводить до зміни напруги в діагоналі мосту, яка підключена до протифазних входів операційного підсилювача А1. Тому на виході операційного підсилювача напруга V0 є підсиленим сигналом збільшення або зменшення сигналу тензорезистивного датчика.

Фірма Tekscan Technology виробляє тензодатчики у вигляді тонких плівок, які можна розмістити між будь-якими поверхнями. Опір плівки максимальний при відсутності тиску і зменшується при зростанні тиску. Якщо від плівки зробити декілька відводів, то можна вимірювати профілі тиску. Фірма виробляє також матриці датчиків, які дозволяються досліджувати двомірні профілі тиску. На рис.16 показана схема такого датчика та інтерфейсні пристрої до неї. Такі датчики використовуються, наприклад, для вимірювання тиску у медичних пристроях (протезах, тощо).

Рис.16. Матриця датчиків для двомірних вимірювань тиску

У якості тензорезисторів можуть використовуватись напівпровідникові матеріали, але вони мають більш високу температурну залежність. Якщо у мікросхемі зробити термокомпенсацію, то датчики такого типу можуть працювати як сканери тиску з великою кількістю точок вимірювання і з великою швидкість опитування.

Датчики сили і тиску дуже розповсюджені в промисловості та побуті.

Автомобільні та авіаційні застосування

  • вказівними рівня та витрати палива;

  • висотоміри;

  • індикатори швидкості потоків газів та рідин;

  • індикатори роботи та стану фільтрів;

  • керування засобами безпеки пасажирів.

Медичні та біологічні застосування

  • вимірювання тиску крові;

  • моніторинг стану організму;

  • керування засобами дихання, вентиляції та фільтрації.

Промислові та комерційні застосування

  • системи керування роботами;

  • засоби автоматизації будівельних робіт;

  • промислові верстати та устаткування;

  • системи кондиціювання;

  • керування потоками газів та рідин;

  • побутова техніка.

Датчики рівня рідини

Рідкі матеріали (паливо, олія, вода тощо) звичайно зберігаються у металевих ємностях. Скільки рідини залишилось в цій ємності потрібно знати увесь час. У давні часи робили скляні вікна, через які можна було бачити рівень. Але ці вікна розбивались, засмічувались, це було найслабкіше місце в усій конструкції. Використовувались також поплавці, відстань до яких контролювалась. Сучасні засоби дозволяють більш надійно визначати рівень рідини.

Використання датчику тиску показане на рис.17.

Рис.17. Датчик тиску у якості датчика рівня рідини.

У донній частині контейнеру роблять порт для підключення датчику тиску. Зрозуміло, що чим вище рівень рідини, тим більший тиск у донній частині контейнеру. Звичайно, цей тиск треба перерахувати у рівень в залежності від питомої щільності рідини.

Ємнісний датчик тиску показаний на рис.18.

У рідину встановлюється вертикальний конденсатор, довжина якого дорівнює висоті контейнера. Частина конденсатора знаходиться у повітрі, діелектрична постійна якого e = 1, а частина – у рідині з більшою діелектричною постійною e. Чим вище рівень рідини, тим більша ємність конденсатора. Масла мають діелектричну постійну між 1,8 та 5, гліцерин – 37, а водні розчини різних речовин – від 50 до 80. У якості другої обкладинки конденсатора можна використовувати стінку контейнера. Якщо рідина електропровідна, то пластини конденсатору треба покрити ізоляційною плівкою.

Рис.18. Ємнісний датчик тиску

Ультразвуковий датчик рівня закріплюється на верхній кришці контейнера. Він випромінює ультразвуковий імпульс, який відбивається від поверхні рідини. По запізненню прийнятого імпульсу відносно випроміненого можна визначити рівень рідини. Використання такого датчика показане на рис.19.

Рис.19. Ультразвуковий датчик рівня

На цьому ж принципі працює радіолокаційний датчик рівня.

Потенціометричний датчик рівня

По всій висоті контейнера встановлюється вертикальна нитка з високорезистивного сплаву. Через цю нитку пропускається струм, який її нагріває до досить високої температури. Але та частина нитки, що знаходиться у воді Rin, охолоджується, а та частина, що знаходиться на повітрі Rout – нагрівається. Сума опорів Rin + Rout дає значення рівня – чим вище рівень, тим менша сума. Див. рис.20.

Рис.20. Потенціометричний датчик рівня.

Оптоелектронний датчик

В цьому датчику у полімерному корпусі міститься світло випромінюючий діод інфрачервоного діапазону та фотоприймач. Якщо датчик не контактує з рідиною, то інфрачервоне випромінювання повністю відбивається від границі полімер-повітря (рис.21).

Рис.21. Оптоелектронний датчик рівня

Якщо датчик контактує з рідиною, то інфрачервоне випромінювання не приходить на оптоелектронний приймач і струм через цей приймач різко спадає. Такі датчики встановлюють в контейнерах з рідиною на різних рівнях. Для таких датчиків не важливо, яка рідина. Часто їх використовують в бензобаках.

Датчики кутових величин

Потенціометричний датчик кута нахилу

Цей датчик використовується, коли об'єкт, на якому він встановлюється, змінює своє положення у просторі (транспортний засіб, корабель тощо). На засобі встановлюється потенціометр, у якого є початок та кінець резистивної обмотки. Рухома частина потенціометру (повзунець) закріплений за допомогою тяги на вертикальному вантажі. Якщо нахил об'єкту змінюється, потенціометр змінює своє положення у просторі, а вантаж – ні. Тому відношення опорів плечей потенціометра R1/R2 залежить від куту нахилу, як це показано на рис.2

Рис.2 Потенціометричний датчик кута нахилу

Кодоперетворювач кута

Цей пристрій дозволяє перетворити кут повороту у цифровий код. Для цього треба створити кодову матрицю, яка показана на рис.23.

Рис.23. Кодова матриця для перетворення кута

Зовнішнє кільце матриці поділене на два сектори: перший 180° - світлий, другий від 180° до 360° - темний. Це самій старший розряд двійкового коду. Наступне кільце поділене на 4 частини по 90°: перша світла, друга темна, знову світла і знову темна. Це другий розряд двійкового коду. Трете кільце поділене на 8 частин по 45°, четверте – на 16 частин по 22,5°, п'яте – на 32 частини по 12,25° і т. і. Кожне наступне кільце має удвічі більше ділень, ніж попереднє. Кодову матрицю виготовляють на диску, який встановлюють на пристрої, що повертається. Диск освітлюється, а відбите світло попадає на фотодіоди ФД, кожен з котрих встановлений над відповідним сектором кодового диску, як це показане на рис.24.

Рис.24. Обробка даних кодової матриці

Сигнали фотодіодів оброблюються у блоках обробки, де вони підсилюються та проходять через компаратори, в результаті чого визначаються розряди цифрового коду кута повороту.

Датчики прискорення та удару

Акселерометри за технологією MEMS

Технологія MEMS (Micro Electro Mechanical System – мікро електронно-механічні системи) дозволяє у корпусі мікросхеми розмістити як електронні, так і механічні системи. Завдяки цьому можна механічні переміщення елементів мікросхеми перетворювати у електричні сигнали, зокрема цифрові. Типова структура такого датчика показана на рис.25.


 
 

Цікаве

Загрузка...