Водд на интерферометре Фабри-Перро

Принцип действия. В основу функционирования данного типа ВОДД положен интерферометр Фабри-Перро, обычно реализуемый по схеме, указанной на рисунке 2. Один торец волокна полупрозрачен и пропускает некоторую часть излучения. Дальний торец полностью отражает излучение. Свет, отражённый от двух поверхностей попадает на приёмник и интерферирует. Изменение длины интерферометра под действием внешних сил приводит к изменению интерференционной картины на приёмнике излучения, поскольку меняется фазовая задержка между лучами, отражающимися от двух разнесённых плоскостей. Анализ интерференционной картины позволяет с большой точностью (вплоть до долей ангстрема) определить величину малейших изменений длины участка волокна.

Рисунок 2. Схема ВОДД на основе интерферометра Фабри-Перро.

Достоинства:

• Высокая точность

• Нечувствительность к ЭМ-излучению

• Долговечность

• Разнообразие геометрических конфигураций

Недостатки:

• Техническая сложность электронно-оптических компонентов

• Относительно высокая цена

Резистивные датчики деформации (РДД)

Общие сведения

К таким этому типу датчиков относиться прибор KG-03, показанный на рисунке. Наиболее распространённый, доступный и простой по принципу действия вид датчиков деформации. РДД могут быть представлены в различных конфигурациях, однако в основу их работы всегда положен пьезорезистивный эффект.

Принцип действия

Подобно резистивным датчикам давления, этот РДД представляет собой резистор (тензорезистор, пьезорезистор), величина сопротивления которого изменяется в зависимости от формы и размеров, т.е. при его деформации (пьезорезистивный эффект)(Рис. 3). Согласно зависимости (1), сопротивление участка проводника зависит от его геометрии. При небольших изменениях R (в пределах 2%) имеет место соотношение (2), из которого видно, что сопротивление фактически линейно зависит от величины относительной деформации e.

R – сопротивление участка проводника

R₀ – исходное сопротивление участка проводника

S_e – коэффициент тензочувствительности материала (у большинства материалов S_e≈2)

e – величина относительной деформации участка проводника

Рисунок 3. Схема работы тензорезистора. При растяжении силой F геометрия проводников изменяется, сопротивление возрастает.

Если жёстко прикрепить такой резистор к поверхности твёрдого тела, любая деформация поверхности приведёт также к деформации резистивного датчика. Это вызовет изменение его сопротивления, которое может быть зафиксировано внешней цепью, например, мостовой схемой Уитстона (Рис. 4). В данной конфигурации малейшие изменения сопротивления R_x выводят мост из равновесия, и зафиксированное вольтметром напряжение позволяет судить о величине изменения сопротивления. По этому изменению можно однозначно судить о степени деформации датчика, а значит и тела, к которому он прикреплён.

Рисунок 4. Мостовая схема Уитстона.

Достоинства:

• Относительно низкая стоимость

• Относительная простота устройства

• Приемлемая точность в большинстве нетребовательных приложений

Недостатки:

• Чувствительность к температуре (может быть скомпенсирована)

• Чувствительность к ЭМ-излучению

• Недостаточная чувствительность для некоторых прецизионных приложений

 

Параметры, на которые следует обратить внимание при выборе датчиков деформации

• Диапазон измерения. Этот параметр накладывает ограничение на максимальную величину деформации, которую способен зафиксировать датчик. Выход из допустимого диапазона измерения в некоторых случаях может привести к разрушению прибора.

• Разрешение. Основной параметр, характеризующий точность датчиков деформации. Чем выше разрешение датчика, тем, как правило, уже его диапазон измерения и выше его цена. У РДД в качестве параметра оценки точности также может быть использованы сведения о процентной погрешности измерения.

• Напряжение выходного сигнала. Необходимо знать величину выходного напряжения для того, чтобы правильно согласовать экстензометр(датчики деформации) с блоками обработки данных, системами контроля и другими устройствами.

• Способ установки. Как правило, экстензометры устанавливаются на поверхность твёрдых тел, для этого их конструкция может иметь специальные приспособления и крепёж. В некоторых случаях (например, ВОДД) чувствительный участок датчика может быть погружен в объём твёрдого тела (например, забетонирован) с целью определения параметров деформации строительных конструкций.

• Степень защиты. Поскольку экстензометры могут использоваться в неблагоприятных и агрессивных условиях, необходимо обратить внимание на параметры их защиты. Это может быть индекс IP/IK коды или другие характеристики, указывающие на меру защищённости датчика деформации от внешних воздействий (влаги, давления и пр.).

• Температурный диапазон. Выход за границы температурного диапазона приводит к увеличению погрешности измерения и может послужить причиной выхода измерительного 

58.Пьезоэлектрические датчики. Пьезоэлетрические датчики- Измерительный преобразователь механического усилия в электрический сигнал принцип действия основан на использовании прямого или обратного пьезоэффекта.(способность некх материалов образовывать эл.заряды на поверхности при приложении механической нагрузки). Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в том, что под влиянием механических напряжений на гранях некоторых кристаллов появляются электрические заряды. При снятии усилий кристалл возвращается в ненаэлектризованное состояние. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при внесении пьезокристалла в электрическое поле, силовые линии которого совпадают с направлением пьезоэлектрической оси, происходит изменение геометрических размеров кристалла (сжатие или растяжение). В качестве материалов-кварц,турмалин.высокое сопротивление,стойкость к температуре.влажности.высокая механическая прочность. Пьезомодуль-устанавливает зависимость между возникающим зарядом и приложенной силой.2,3*10^-12. Кристалл имеет одну чувствительную плоскость,препендикулярную оси z. Продольный пьезоэффект-если к пластине вдоль оси x приложить силу F то на ее гранях пр=ерпенд оси x возник эл заряды. Достоинства-простота,малые размеры,высокая надежность.возможность измерения быстро-переменных величин. Недстатки-необходимы усилители,непригодность к измерению статических величин,относительно невысокий уровень выходного сигнала.

59.Приборы, основанные на эффекте Холла. Принцип действия, основные характеристики, область применения.

Принцип действия датчиков основан на эффекте Холла. Основные преимущества этих датчиков заключается в отсутствии механических движущихся частей и высоком быстродействии (до 100 кГц). Благодаря этому датчики Холла отличаются высокой надежностью, долговечностью и не требуют физического контакта с измеряемой средой.

    Датчики Холла широко используются там, где требуются высокая точность и надежность. Они находят применение в безколлекторных двигателях, измерителях различных величин, сварочном оборудовании, бытовых приборах, компьютерах и т.д.

    Эффект Холла заключается в возникновении напряжения в проводнике с током в магнитном поле. Возникающее напряжение перпендикулярно протекающему току и пропорционально магнитному потоку. После усиления это напряжение используется для управления выходными каскадами датчиков и внешними схемами.

    Выходные каскады датчиков могут быть различных типов – аналоговые, когда выходной сигнал пропорционален магнитному потоку через датчик, и цифровые, имеющие два уровня сигнала на выходе. Аналоговые каскады могут быть выполнены по схеме “открытый коллектор” (NPN) и “источник тока” (PNP). По реакции на магнитное поле датчики распределяются по трем группам: биполярные, однополярные и униполярные. Для включения биполярного датчика требуется воздействие поля положительной полярности, а для выключения – отрицательной. Однополярные датчики измеряют поля любой полярности, а униполярные – только одной (обычно положительной).

    Магнитное поле может быть сформировано постоянными магнитами или электромагнитами. Изменение напряженности поля достигается путем перемещения магнита, изменения тока электромагнита или внесением магнитного материала в зазор между датчиком и магнитом. Выпускаются датчики, в которых используются внешние или встроенные в корпус магниты. В последнее время в выходные каскады датчиков Холла вводятся специальные схемы снижения температурной нестабильности датчиков и магнитов, а также схемы линеаризации аналоговых выходов. Для достижения высокой повторяемости параметров от датчика к датчику в процессе производства используется лазерная калибровка элементов схем. Это позволяет производить замену вышедших из строя приборов без последующих подстроек.

Эффект Холла получил своё имя благодаря учёному Э.Г.Холлу, открывшему его в 1879 году при работе с тонкими золотыми пластинками. Эффект заключается в появлении напряжения при помещении проводящей пластинки в магнитное поле. Это напряжение так и назвали – холловское напряжение. Промышленное применение этого эффекта стало возможным лишь спустя 75 лет после открытия, когда стали производиться полупроводниковые плёнки с определёнными свойствами. Так появился датчик Холла, принцип работы которого основан на одноимённом эффекте. Этот датчик представляет собой прибор для измерения напряжённости магнитного поля. На его основе создаются и многие другие приборы: датчики углового и линейного перемещения, магнитного поля, тока, расхода и т.д. Датчик Холла имеет ряд преимуществ, благодаря которым и получил широкое распространение. Во-первых, бесконтактное срабатывание исключает механический износ. Во-вторых, он прост в использовании при довольно низкой стоимости. В-третьих, прибор имеет маленький размер. В-четвёртых, изменение частоты срабатывания не приводит к смещению самого момента измерения. В-пятых, электрический сигнал датчика не имеет характера всплеска, а при включении сразу набирает постоянную величину. Другие его плюсы: передача сигнала без икажения, бесконтактный характер самой передачи сигнала, практически безграничный срок эксплуатации, большой диапозон частот и т.д. Однако у него есть и свои минусы, основными из которых являются чувствительность к электромагнитным помехам в цепи питания и изменению температуры.

Принцип работы датчика Холла. Датчик Холла - это щелевая конструкция, с одной стороны которой расположен полупроводник, а с другой – постоянный магнит. При протекании тока в магнитном поле на электроны действует сила, вектор которой перпендикулярен и току, и полю. При этом на боковых сторонах пластины появляется разность потенциалов. В зазоре датчика находится экран, через который замыкаются силовые линии. Он препятствует образованию на пластинке разности потенциалов. Если в зазоре не будет экрана, то под действием магнитного поля с пластинки полупроводника будет сниматься разность потенциалов. При прохождении экрана (роторной лопасти) через зазор индукция на интегральной микросхеме будет нулевая, а на выходе появится напряжение