7.5.2 Датчики линейной скорости

Датчики линейной скорости построены на принципе электромагнитной индукции. В соответствии с законом Фарадея при приближении магнита в катушке индуктивности возникает напряжение, пропорциональное их относительной скорости и напряженности магнитного поля. Схема датчика линейной скорости приведена на рис. 7.21.

Рис. 7.21. Датчик линейной скорости:

1 – постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – обмотка

Датчик содержит постоянный магнит 1, магнитопровод 2 и обмотку 3. Магнитопровод образует кольцевой воздушный зазор, в котором размещена кольцеобразная обмотка. Если подвижный объект связан с магнитом, то при его перемещении в катушке наводится ЭДС, пропорциональная скорости объекта. Максимальное перемещение для подобной конструкции составляет несколько миллиметров, чувствительность — порядка 1 В/(м/с), отклонение от линейности — около ±10 %.

Для регистрации более значительных перемещений используют растровые датчики типа ЛИР (рис. 7.22).

1 2 4 3

Рис. 7.22. Схема растрового датчика типа ЛИР:

1 – шкала; 2 – плата фотоприемников; 3 – растровый анализатор; 4 – плата осветителей

В основу работы датчиков ЛИР положен метод оптоэлектронного сканирования штриховых растров. При относительном перемещении шкалы 1 и анализатора 3 модулируется (изменяется) излучение от платы осветителей 4, которое воспринимается фотоприемниками 2. В качестве меры длины используется линейная шкала, являющаяся носителем регулярного и кодового растров. Возможность нанесения штрихов растров с субмикронной точностью на материалы с заданным коэффициентом линейного расширения, а также стабильность их геометрического положения позволяют создавать преобразователи высокой точности. Кроме того, подобные датчики имеют хорошую степень защищенности к внешним воздействиям.

7.6 Датчики ускорения (акселерометры)

Акселерометры в последнее время получили широкое распространение, при этом чаще других применяются микромеханические (MEMS, microelectromechanical systems) акселерометры в виде чипа на основе кристалла кремния (рис. 7.23).

Рис. 7.23. MEMS-акселерометр

Они достаточно дешевы (несколько долларов за штуку), миниатюрны (от одного до нескольких мм в каждом измерении), в большом количестве выпускаются крупными компаниями. В автомобилях по сигналам таких датчиков срабатывают подушки безопасности. В мобильных телефонах и видеоприставках используется чувствительность акселерометров к повороту относительно направления вектора силы тяжести для соответствующего изменения картинки на дисплее, в портативных компьютерах акселерометры улавливают момент, когда из-за удара может повредиться винчестер, и паркуют его головки, в фототехнике MEMS-акселерометры работают в системах стабилизации изображения, в видеорегистратороах акселерометры обеспечивают запись ударов автомобиля в аварийных ситуациях в специальный файл. Акселерометры широко применяются в устройствах управления подвижными объектами – самолетами, ракетами и т. д., например, в автопилотах. Для контроля вибраций и ударов также используются акселерометры. Применяются акселерометры как датчики ускорения и в приводах машин.

Имеется несколько основных видов датчиков акселерометров: емкостные, пьезорезистивные, тепловые, пьезоэлектрические. В самом общем виде простейший акселерометр можно представить как устройство, изображенное на рис. 7.24.

Рис. 7.24. Схема акселерометра

Ускорение, для измерения которого и предназначен акселерометр, согласно 2-му закону Ньютона, приводит к появлению силы, вызывающей смещение инерционной массы относительно корпуса датчика. Именно это смещение, преобразованное в электрический сигнал, и несет информацию о величине ускорения. В компенсационных электромеханических акселерометрах измеряется и преобразуется в электрический сигнал не смещение массы, а сила со стороны подвеса, препятствующая смещению массы.