4.6 Датчики силы, момента и давления

Многие типы датчиков силы/момента (force/torque) основаны на измерении де­формаций. Датчики для измерения деформаций называются тензодатчиками (strain gauge). Принцип действия таких датчиков — изменение электрического сопротивле­ния в образце, который подвергается воздействию внешних сил (пьезорезистивный эффект). Относительное изменение сопротивления как функция действующей на датчик силы зависит от используемого материала: у полупроводникового датчика оно на 1-2 порядка больше, чем у металлического. Чувствительный элемент у полу­проводникового датчика выполнен из монокристалла пьезорезистивного материала. Дополнительное преимущество полупроводниковых тензодатчиков — более высокое удельное сопротивление по сравнению с металлическими и, соответственно, меньшее потребление мощности и выделение тепла.

Измерение моментов и сил необходимо во многих задачах, включая управление точным движением (например, перемещения и захваты в робототехнике) и передаваемой механической мощностью в двигателях и системах привода.

4.7 Датчики приближения

Изменение электрических свойств элементов колебательных контуров при при­ближении к внешним объектам можно использовать для создания датчиков при­ближения (proximity sensors). Эти датчики могут выдавать аналоговый сигнал, про­порциональный — по крайней мере в определенном диапазоне — расстоянию до заданного объекта, или цифровой сигнал при достижении заданного порогового значения расстояния. Электрические датчики приближения используют следую­щие принципы.

• индуктивные датчики приближения работают на основе излучения высокочас­тотного электромагнитного поля обмоткой, которая входит в колебательный кон­тур. Электромагнитное поле индуцирует в проводящем материале объекта вихре­вые токи. Когда объект, расстояние до которого контролируется, приближается к датчику (обычно на 2-30 мм), колебания начинают затухать. Изменение тока в колебательном контуре можно использовать для срабатывания полупроводни­кового ключа.

• ёмкостные датчики приближения содержат затухающий колебательный RC-кок-тур. Емкость зависит от расстояния между обкладками конденсатора, их площади и свойств диэлектрика между ними. Датчик присоединен к одной из обкладок или к диэлектрику. Когда объект приближается к датчику, результирующее измене­ние емкости, а следовательно, и частоты колебаний, можно зафиксировать элект­рически и использовать для управления выключателем. Емкостный датчик может обнаружить объекты, которые не являются проводящими. Диапазон срабатыва­ния для таких датчиков обычно лежит между 5 и 40 мм. Емкостные датчики мож­но использовать также для измерения силы и давления.

• магнитные датчики приближения опознают приближение объекта по измене­нию характеристик магнитного поля и не имеют подвижных частей. Принцип работы может базироваться на индуктивности, магнитном сопротивлении (reluctance), магниторезистивном эффекте или эффекте Холла. Магниторезистивный эффект и эффект Холла обусловлены одним и тем же физическим явле­нием — сопротивление проводящего материала изменяется под воздействием внешнего магнитного поля. Если проводник с электрическим током подвергает­ся воздействию магнитного поля, его сопротивление увеличивается (магниторезистивный эффект). Кроме того, на противоположных сторонах этого провод­ника возникает разность потенциалов, которую можно измерить (эффект Холла). Проводник должен быть расположен так, чтобы магнитное поле было перпендикулярно направлению тока; разность потенциалов возникает вдоль оси, перпендикулярной и магнитному полю, и направлению тока. Геометричес­кая форма проводника выбирается так, чтобы максимальным был либо магниторезистивный эффект, либо эффект Холла. Датчики Холла часто выполняются из полупроводниковых материалов.