10.2 Датчики и чувствительные элементы мехатронных модулей.

Обратная связь по перемещениям позволяет выйти рабочему органу (выходному звену) в определенную точку с минимальными погрешностями в квазистационарном режиме (т.е.когда динамические силы и моменты на порядок меньше, чем силы пьезопривода), несмотря на наличие гистерезиса в пьезопреобразователях. Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков перемещения, по принципу действия можно классифицировать на оптические электромеханические и пневматические. Оптические системы обратной связи (техническое зрение), используемые в ММС, позволяют производить обработку получаемой информации и определять текущие значения скоростей и ускорений выходного звена при постоянном мониторинге. При этом на выходном звене обычно отсутствует какой-либо преобразующий элемент, за исключением миниатюрного зеркала, поэтому компактность системы высокая. Информация о скоростях и ускорениях позволяет работать мехатронному ММ в динамическом режиме с минимальными погрешностями, как по перемещениям, так и по скоростям.

Пневматические датчики обычно не подходят для ММ, т.к. в большинстве случаев подача воздушной струи в рабочую зону недопустима, хотя точность таких датчиков достигает 0.1 – 0.5 мкм. Электромеханические датчики, в частности индукционные и емкостные, как правило, имеют худшие характеристики по точности чем пневматические.

Обратная связь по деформациям (и соответственно по механическим на­пряжениям) позволяет осуществить тактильное очувствление системы, т.е. оп­ределять следующие параметры процесса.

1. Момент времени, когда рабочий орган начинает взаимодействовать с внешней средой, например, когда игла микроманипулятора начинает внедряться в исследуемый биоматериал.

2. Механические нагрузки на рабочий орган: сопротивление среды или объекта, динамические нагрузки на рабочий орган во время разгона или торможения при микроударе. Кроме того, в некоторых случаях может наступить ситуация, в которой механические нагрузки будут превышать допустимый уровень. Поэтому эти датчики обеспечат информацию о предельных нагрузках.

3. По информации, поступающей с нескольких датчиков деформации можно судить об отклонениях пространственного положения элемента системы от определенного фиксированного положения, информация о котором находится в памяти микропроцессора.

Пьезоэлектрические преобразователи могут работать, используя как прямой, так и обратный пьезоэффект. По этой причине пьезокерамическую пластинку, входящую в состав пьезопреобразователя, можно применять в качествe приводного элемента, а небольшую его часть - в качестве датчика деформаций или ускорений. Такие датчики реагируют на переменное воздействие, поэтому использование их в качестве чувствительного элемента квазистационарного процесса проблематично. Они имеют высокую чувствительность, особенно тонкопленочные пьезоэлектрические датчики.

Перспективно использование пьезорезистивных датчиков, основанных на изменении электрического сопротивления при механической деформации чувствительного слоя датчика. Такой слой, выполненный по технологии вакуумного напыления на изолированную подложку, имеет весьма малые габариты: не более 1 х 1 х 0,02 мм, а чувствительность таких датчиков высока. Применяются датчики, измеряющие давление от 1 до 50 кПа, максимальное напряжение на выходе датчика - 80 мВ, температурный коэффициент нестабильности - 0,02 % К.

Такие датчики находят свое применение в конструкциях микроманипуляторов. На рис.10.3. показано выходное звено 1 микроманипулятора, имеющее микропипетку 2, закрепленную в центре крестообразной кремниевой диафрагмы 3. Качательное движение микропипетки 2 в двух направлениях х и у относительно корпуса 4, которая взаимодействует с объектом 5, осуществляется при помощи двухкоординатного электромагнитного привода 6. Перемещение микропипетки 2 вдоль оси z осуществляется за счет перемещения корпуса 4. Двухкоординатный датчик силы располагается на диафрагме 3. Он состоит из 8 пьезорезистивных элементов 7, расположенных в местах крепления перемычек 8 крестообразной диафрагмы 3 (в этих местах изгибные деформации максимальны). Пьезорезистивные элементы 7 соединены электропроводящими дорожками с аналого-цифровыми преобразователями сигналов 9. При отклонении микропипетки 2 от оси z пьезорезистивные элементы 7 будут испытывать различные деформации, в соответствии с которыми их омические сопротивления будут изменяться. Информация от пьезорезистивных элементов 7 через аналого-цифровые преобразователи 9 будет поступать в систему управления, которая в свою очередь выдаст сигналы на двухкоординатный электромагнитный привод 6.

Рисунок 10.3. Микроманипулятор с двухкоординатным датчиком силы

Для оценки быстродействия модуля микроперемещений необходимо опре­делить собственную частоту упругой системы. АУП можно представить как упругую систему с сосредоточенными параметрами. Тогда собственная часто­та определяется по формуле

,

где m − масса платформы, если масса платформы на много больше массы рессор с блоком перемещения платформы.