Мехатроника и динамика мини-роботов

б) рекомендуется применение операционного усилителя соглас-

но рис. 5.2, б;

в) напряжение запитывания U0 входит полностью до результата

измерения.

Температурный дрейф: для сопротивления материала с коэффициентом теплоемкости имеем

5.1.2. Индуктивные методы

Для сердечника с зазором имеет место зависимость

xm – величиназазора, при которой величина L находится в центре возможных значений, что означает

L xm 12 L0 Lm .

На рис. 5.3, a изображена катушка.

160

Рис. 5.3. Схема разделения катушки

Соотношение (5.2) для L x нелинейное, поэтому линеаризация

соответствует разделению катушки на две взаимно противорасположенные, рис. 5.3, б.

На рис. 5.4 изображен пример линеаризации. Для r 1 и L0 1, а также при подстановке xm или xm в (5.2) xm 0,11 .

Рис. 5.4. Пример линеаризации

161

5.1.3. Трансформаторные устройства

Трансформаторные устройства используют изменение взаимной индуктивности между катушками. Наибольшее применение в практике нашли устройства, нагруженные дифференцирующим трансформатором.

На рис. 5.5 изображена конструкционная схема сенсора расстояния (пути).

Рис. 5.5. Схема сенсора расстояния

На рис. 5.6 изображен датчик на основе линейного переменного дифференциального трансформатора с возвратной пружиной.

162

B 0 r H – плотность магнитного потока;

H – напряжение магнитного поля;

0 , r – магнитные постоянные в вакууме и относительная маг-

нитная проницаемость.

Пусть в плоскости Oxy через плоскую пластину полупроводника проходит регулирующий ток I0 , тогда линии тока отклоняются составляющими магнитного поля Bz перпендикулярно пластине.

Рис. 5.7. Прохождение тока через плоскую пластину:

а– изгибание эквипотенциальных линий элемента Холла;

б– схема плоских пластин полупроводника

На рис. 5.7, а изображена конструкция элемента Холла, на рис. 5.7, б конструкция полевой пластины.

Сточки зрения техники измерений отметим два явления.

1.Изгибание эквипотенциальных линий на угол Холла , при-

чем имеет место зависимость

tg Bz .

На противоположных сторонах пластины создается разница потенциалов, которая регистрируется как напряжение Холла Uн, а сен-

сор с такой структурой называется сенсором Холла, причем

где Rн – материальный коэффициент Холла; d – толщина пластины.

164

2. Отклонение линии тока носителя заряда в полупроводнике, что приводит к видимому изменению сопротивления.

Имеет место формула

где R0 – величина сопротивления для Bz 0;

k – конструкционная постоянная, величина которой зависит от материала и конструкции.

Сенсоры, использующие этот эффект, называются полевыми пластинами.

На рис. 5.8, а изображена зависимость (5.3) для сенсора Холла, а на рис. 5.8, б – зависимость (5.4) для полевой пластины.

Рис. 5.8. Зависимости напряжения (а) и сопротивления (б) от величины магнитного поля

Решающим достоинством сенсора Холла является возможность изготовления элементов с помощью стандартной полупроводниковой технологии. Практическое значение для измерения пути или угла имеют потенциометры с полевыми пластинами. Функционируют они бесконечно долго и практически без износа.

5.1.5. Емкостные измерительные методы

Емкостные путевые сенсоры подобны индуктивным сенсорам. Эффект измерения основан на изменении емкости С пластинчатого конденсатора:

165

166

5.1.6. Ультразвуковые методы измерений

Измерение пути с помощью ультразвука опирается на измерение времени прохождения ультразвукового импульса. В качестве преобразователя ультразвука применяются пьезоэлектрические элементы, которые при приложении напряжения меняют форму (обратный эффект). Так как пьезоэлектрический эффект обратимый, то один и тот же элемент используется как для получения, так и для посылки сигнала.

В качестве материалов обычно используются пьезоэлектрическая керамика, а также пьезоэлектрические полимеры. На рис. 5.10, а изображены этапы прохождения импульсовультразвука во времени.

На рис. 5.10, б представлена диаграмма интенсивности излучения звукового поля, из которой видно, что непосредственно перед сенсором возникает область с осциллирующей величиной интен-

сивности в зависимости от направления. Расстояние r0 характеризует ближнее поле Френеля:

r0 D2 ,

4

где D – диаметр вибрирующего элемента;

– длина волны.

Вобласти r r0 (дальнее поле–зона Фраунгофера) интенсив-

ность уменьшается как 1/ r2. В этой области излученная энергия сконцентрирована в конусе с половиной угла :

arcsin 0,51 .

D

167

168

На рис. 5.11 изображена схема ультразвукового сенсора. Управляющее устройство на короткое время включает излучение и одновременно измерение времени. По излучении последовательности колебаний сенсор переходит на прием. Принятый эхо-сигнал проходит через усилительное устройство обработки сигнала.

Рис. 5.11. Схема ультразвукового сенсора

На способы преобразования сигнала и процессы измерения следует обращать внимание при применении ультразвуковых сенсоров. На точность измерения оказывают влияние параметры среды: температура воздуха, скорость ветра, влажность. Важное значение играют выбор частот, используемых сигналов, материалов и геометрии рефлектора.

5.2.Некоторые модели подсистем измерений

5.2.1.Магнитострикционные датчики пути

Специальные мягкие магнитные материалы изменяют форму под действием внешнего магнитного поля. Этот эффект называется

магнитострикция.

Принцип измерения расстояния на основе магнитострикционного эффекта представлен на рис. 5.12.

169