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 С1и 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).