Лекция Тактильные (осязательные) датчики

Тактильные датчики очувствления Тактильные   (осязательные)   датчики   являются   самыми   «молодыми».   Их появление обусловлено развитием робототехники и автоматических поточных линий. Существующая классификация рассматривает три типа тактильных датчиков: касания, усилия и проскальзывания. Первые два типа тактильных датчиков измеряют   один   и   тот   же   параметр   –   действующую   силу.   Отличаются   они только   видом   выходного   сигнала.   Датчики   усилия   имеют   аналоговый выходной сигнал, а датчики касания – выход релейного типа с регулируемыми уставками. Реализуются   тактильные   датчики   с   использованием   различных   физических явлений,   но   принципиальным   отличием   от   других   датчиков   является   их небольшая   толщина.   Это   достигается   за   счет   использования   специальных материалов.   Они,   как   правило,   обладают   гибкостью,   эластичностью   и прочностью при хорошей электропроводности. На рис.  приведен пример реализации тактильного датчика, реагирующего на силовое воздействие.                      Рис. . Пример простого тактильного датчика силы Датчик   представляет   собой   две   тонких   металлических   пластины   1   между которыми расположена ячеистая прокладка 2 из изоляционного материала. Один полюс источника напряжения подключен к верхней пластине. Второй – через нагрузочный резистор Rн к нижней пластине. Когда к верхней пластине в   районе   ячейки   прикладывается   внешняя   сила,   пластина,   прогибаясь, замыкается с нижней. Через резистор протекает ток, а падение напряжения на нем служит выходным информационным сигналом.  Тактильный датчик с использованием пьезоэлектрического эффекта приведен на рис. .Рис. . Пьезоэлектрический тактильный датчик силы Он   представляет   собой   два   параллельных   слоя   1   и   2   пьезоэлектрических пленок,   разграниченных   акустически   проницаемым   слоем   3.   К   нижней пьезопленке   подключен   генератор   и   при   его   работе   она   колеблется   с генерируемой   частотой.   При   этом   такие   же   колебания   возбуждаются   в промежуточном   слое   и   в   верхней   пьезопленке.   На   противоположных поверхностях   последней   возникает   разность   потенциалов.   Напряжение   с верхней пленки подается на усилитель и синхронный детектор, формирующий выходной сигнал с учетом амплитуды и фазы. При воздействии на верхнюю пленку деформирующей силы, характеристики всех   слоев   изменяются,   что   приводит   к   пропорциональному   изменению выходного сигнала  Пьезорезонансные датчики силы В   датчиках   силы   этого   типа   используются   оба   эффекта,   свойственные пьезокристаллическим материалам: прямой и обратный пьезоэффекты. Чувствительным   элементом   датчика   является   механический   резонатор. Колебания   резонатора,   возбуждаемые   напряжением   питающего   генератора (обратный пьезоэффект), обуславливают его напряженное состояние. В свою очередь такое состояние вызывает возникновение соответствующих зарядов на электродах пьезоэлемента (прямой пьезоэффект). Результатом   одновременного   электрического   возбуждения   колебаний резонатора   и   снятия   электрического   сигнала   является   возникновение резонансных колебаний. Известно несколько вариантов включения пьезорезонансных датчиков силы в измерительные схемы. В схемах с применением автогенераторов резонатор используется в задающих цепях. Деформация резонатора внешней силой изменяет частоту генератора пропорционально приложенному усилию.В другом варианте такой же схемы внешнее воздействие вызывает изменение положения   электродов   относительно   резонатора,   что   также   приводит   к изменению частоты.   На рис. приведена схема с использованием генератора опорной частоты и резонансного   фильтра.   Деформирующая   сила,   воздействуя   на   резонатор, приводит   к   изменению   частотных   настроек   фильтра   и   пропорциональному изменению выходного напряжения.                                               Рис. . Схема датчика силы с резонансным фильтром Тензометрические   датчики   силы   (динамометры)   являются   неотъемлемым компонентом     весоизмерительных   систем.   Они   служат   «поставщиком» исходных   данных   в   системах   автоматического   учета   и   контроля экономической   деятельности   любого   серьезного   предприятия.   Без   них невозможно построение систем автоматизации технологическими процессами. Сфера   их   применения   –   металлургия,   строительство,   сельское   хозяйство, производство пищевых продуктов и т. д. Обобщенная картина использования датчиков силы отображена на рис.1.   Рис. . Области применения датчиков силы Принцип   работы   датчиков   силы   базируется   на   преобразовании   усилий, приводящих   к   деформации   чувствительного   элемента,   в   электрический сигнал.Процесс   преобразования   включает   ряд   последовательных   операций.   Они протекают на физическом и электрическом уровнях. На физическом уровне приложенная сила вызывает деформацию упругого элемента и закрепленного на нем тензодатчика. На электрическом уровне происходит преобразование величины деформации в аналоговый сигнал. В последующих операциях сигнал преобразуется в удобную для пользования форму. Работа   тензометрических   датчиков   базируется   на   различных   физических явлениях, позволивших  создать следующие типы датчиков: Резистивные; Магнитные; Тактильные; Пьезорезонансные; Емкостные; Пьезоэлектрические. Естественно, что разные  физические явления  для преобразования величины деформации в электрический сигнал используют различные чувствительные элементы. Ознакомимся с принципами их работы. Резистивные датчики силы Из предложенных к рассмотрению датчиков наиболее применяемыми (более 95   %)   являются   резистивные   датчики   силы.   Это   обусловлено   широким диапазоном воспринимаемых усилий (5 Н – 5 МН) и точностью измерения. Они   могут   использоваться   при   действии   статических   и   динамических нагрузок.   Существенным   достоинством   этого   типа   датчиков   является линейность выходного сигнала. Чувствительным элементом датчика является тензорезистор (рис. 2). Датчик представляет собой   тонкую проволоку 1, жестко закрепленную на гибкой подложке 2.Рис. . Проволочный тензорезистор 1 – чувствительный элемент, 2 – подложка, 3 – выводы, 4 – защитная пленка Концы   проволоки   снабжены   выводами   3   для   внешних   подключений. Зигзагообразно   уложенная   проволока   и   места   соединения   ее   с   выводами закрыты защитной пленкой 4.   подложкой   приклеивается   к   упругому   элементу, Тензорезистор воспринимающему нагрузку. Последний под действием силы деформируется и   вызывает   деформацию   тензорезистора.   Изменение   длины   проволоки   при действии   сил   растяжения   или   сжатия   приводит   к   пропорциональному изменению величины ее сопротивления.  Связь   между   величиной   деформации   тела   и   действующей   на   него   силой подчиняется закону Гука. Автор первоначально сформулировал его словами: «каково удлинение, такова и сила». В отношении тензорезистивных датчиков, учитывая   изложенное,   этот   закон   можно   интерпретировать   так:   «каково сопротивление, такова и сила».  Обычно тензорезисторы включаются в плечи чувствительных мостовых схем. В этом случае о действующей силе судят по напряжению в диагонали моста.