Контрольные вопросы

1. Как определить полосу пропускания датчика?

2. Можно ли установить реальную функцию преобразования датчика?

3. Зависит ли динамическая чувствительность датчика от статической?

4. Обладает ли датчик первого порядка собственной частотой?

5. Какой параметр характеризует быстродействие датчика?

6. От каких параметров зависит собственная частота датчика второго порядка?

7. Какую погрешность — аддитивную или мультипликативную — вызывают климатические факторы?

8. Можно ли случайную погрешность сделать систематической?

9. В чем основное достоинство дисперсионных оценок?

10. Как связаны между собой средние квадратические погрешности при единичном измерении и при нескольких измерениях?

2. Элементы информационных систем

Основой любой информационной системы является первичный преобразователь, или ЧЭ, изменяющий свое состояние под действием разнообразных факторов. В общем случае каждый ЧЭ реагирует на различные воздей­ствия, не являясь таким образом датчиком определенного параметра. Именно это обстоятельство привело к появлению погрешностей измерения. Предварительная обработка, в том числе и компенсация погрешностей, осуществляется измерительной цепью. В нее кроме основных ЧЭ, предназначенных для измерения параметров сигналов, включают дополнительные компенсационные ЧЭ, служащие для устранения погрешностей.

2.1. Чувствительные элементы датчиков

Среди ЧЭ, используемых в технике, будем рассматривать лишь те, кото­рые используются при формировании кинестетической, локационной, визу­альной и тактильной сенсорных функций — основных функций робототех­нических и мехатронных систем.

В соответствии с физическим принципом, положенным в основу преоб­разования информации, различают следующие основные типы ЧЭ:

• резистивные (в том числе тензо- и фоторезисторы);

• электромагнитные (индуктивные, индукционные и др.);

• преобразователи Холла;

• оптические;

• пьезоэлектрические.

2.1.1.Резистивные чувствительные элементы

Резистивные ЧЭ нашли широкое применение во всех областях измери­тельной техники. Принцип их действия основан на измерении вариаций электросопротивления (далее — просто сопротивления) резистора R, опре­деляемого по формуле

где ρ,l и s — удельное электросопротивление, длина и сечение проводника соответственно.

Промышленно выпускают аналоговые и цифровые резистивные ЧЭ. Аналоговые резистивные ЧЭ изготовляют из проводников, полупровод­ников и проводящих жидкостей. Они имеют сопротивление в диапазоне 1..10⁶ Ом. Сопротивление цифровых ЧЭ, представляющих собой разные коммутаторы (тиристоры, фотоэлектрические устройства и т. д.), практически неограниченно. Допуски на резистивные ЧЭ указывают в процентах в соот­ветствии со следующим рядом: 0,001 0,002 0,005 0,01 ... 1 2 5 10 20 30.

В системах управления при построении потенциометрических датчиков положения и перемещения широкого диапазона измерения используют пе­ременные (проволочные и пленочные) резисторы. Их сравнительная харак­теристика приведена в табл. 2.1.

Для измерения сил и микроперемещений в качестве первич­ного преобразователя информа­ционных систем тактильной модальности используют тензорезистор, представляющий собой металлическую нить различной формы (рис. 2.1). Тензорезистор устанавливают на поверхности упругого элемента датчика. Воз­никающая в упругом элементе деформация вызывает изменение состояния ЧЭ в соответствии с явлением тензоэффекта. Диапазон допустимых деформаций тензорезиетора определяется необходимой точно­стью измерений и при погрешности 0,1 % составляет 10^-5 ... 2*10^-1.

Тензоэффектом называется свойство проводников и полупроводников изменять электрическое сопротивление при деформации. У полупроводников тензоэффект связан с изменением удельного электросопротивления, причем знак тензоэффекта зависит от типа проводимости материала, а значение — от кристаллографического направления. Принцип действия тензорезиcтора основан на законе Гука:

где σ, ε, Е — напряжение, линейная деформация и модуль Юнга соответственно. Так, для стали σ=(2...8)*10⁸ Па, Е = (1,8...2,9)* 10¹¹ Па, для свинца σ= (5...10)*10⁶ Па, Е = (5...18)*10⁹ Па.

Сопротивление металлической нити R = ρl/S при деформации изменяется по закону

Здесь ν - коэффициент Пуассона, равный отношению поперечной деформации к продольной, ν=-ε_lпоп/ε_lпрод;k_р — коэффициент пьезосопротивления. В зоне линейной упругости ν=0,3. Для нити прямоугольного сечения принимают s = ab, для нити круглого сечения — s = nR² , откуда следует Δs/s=2νΔl/l.

Тензочувствительность первичного преобразователя S_T определяется за­висимостью

Слагаемое (l+2ν) характеризует изменение S_Т в зависимости от геометрии, а

к_р — в зависимости от свойств материала. Тензочувствительность показывает, насколько относительное изменение сопротивления ЧЭ превосходит его относительную деформацию. Например, для металлических тензорезисторов ν = 0,3, к_р = 0,4 и, следовательно, S_T ≈2. Таким образом, функцию преобразования тензорезисторного ЧЭ можно представить в виде ΔR/R = S_TΔl/l или, обозначив ΔR/R =ε_R , а Δl/l = ε_l, получаем ε_R = S_T ε_l.

Важной характеристикой тензорезисторов является их температурная чувствительность, приводящая к изменению сопротивления даже в отсутствии деформации упругого элемента (рис. 2.2). Для ее оценки используют температурный коэффициент сопротивления α_R= ΔRT/(RΔT), где ΔRT — изменение сопротивления тензорезиетора под действием температуры; значения коэффициента α_R изменяются от 2*10^-5 °С^-1 для кон- стантана до 10*10^-5 °С^-1 для нихрома и до 19*10^-5 °С^-1 для изоэластика.

Тензорезисторы подразделяются три основные группы: проволочные, фольговые и полупроводниковые.

Основой проволочных тензорезисторов является струна из константановой (Сu — Ni — Мn) про­волоки диаметром 2...30 мкм,вклеенная с помощью фенольной смолы между бумажными подложками. Струну изготавливают либо волочением, либо методами микрометаллургии.

В фольговых тензорезисторах (см. рис. 2.1, а) используют константановую решетку, которую вытравливают фотохимическим способом из листов толщи­ной 5... 10 мкм и приклеивают на бумагу толщиной 30... 100 мкм. Тензорезисторы этого типа имеют наилучшую избирательность благодаря оптимизации рисунка решетки. Например, для уменьшения влияния поперечных деформа­ций поперечные части решетки делают толще продольных. При этом их со­противление уменьшается.

Полупроводниковые тензорезисторы (см. рис. 2.1, б) также представляют собой проволоку или решетку из монокристаллического германия или кремния. Их подразделяют на две группы: струнные и диффузионные. Струнные тензорезисторы изготавливают методом травления. Толщина струнных тензорезисторов составляет 20...50 мкм, ширина до 0,5 мм и длина 2…12 мм. Диффузионные тензорезисторы получают при помощи инжектирования примесей непосредственно в монокристалл кремния, являющийся упругим элементом датчика. Изоляционный слой образуется благодаря

p-n-переходу, смещенному в обратном направлении. Данная технология обеспечивает получение идентичных параметров у всех ЧЭ. Сравнительная характеристика тензорезисторных ЧЭ дана в табл. 2.2.

Наилучшими эксплуатационными характеристиками обладают фольго­вые тензорезисторы. Для них характерна малая поперечная тензочувствительность S_т^поп и хорошая температурная стабильность. В области линейных

упругих деформаций (при ε_l< 0,65 %, ν = 0,3) Для константана S_T = 2 при

α_R =2*10^-5 К^-1. Проволочным тензорезисторам свойственна большая, чем фольговым, поперечная тензочувствительность. В расчетах полагают, что для них S_T^поп =2*10^-2 S_T. Полупроводниковые тензорезисторы при очень большой S_T (выше 100) обладают нелинейной функцией преобразования и самой высокой из всех тензорезисторов температурной чувствительностью. Для расширения температурного диапазона эксплуатации (от -271 до 400 °С ) их выполняют по технологии «кремний на сапфире».

При размещении тензорезистора на поверхности упругого элемента его температурный коэффициент сопротивления становится зависим от мате­риала упругого элемента. Температурная компенсация тензорезистора достигается при использовании материалов с согласованными для тензорезистора и упругого элемента температурными коэффициентами линейного расширения α_l. В этом случае вместо α_R используют интегральный коэффициент β, учитывающим материал упругого элемента. Общее изменение сопротивления тензорезистора, установленного на упругий элемент, составит (ΔR_T/R)_∑= β ΔT, где β= S(α_lT - α_ly),а α_lT и α_ly — температурные коэффициенты линейного расширения материалов тензорезистора и упругого элемента. Датчик считается термокомпенсированным, если β < 1,5*10^-6 °С^-1 . Эффективная термокомпенсация обеспечивается для дат­чиков с упругими элементами из титана, стали, меди и других материалов с постоянными α_R. Для тензорезисторов, работающих в динамических ре­жимах, специальных мер термокомпенсации не применяют.