28. Магниточувствительные датчики

Магниточувствительные датчики основаны на магниторезистивном эффекте полупроводникового материала. Он состоит в том, что материалы под воздействием внешнего магнитного поля изменять свое сопротивление. К ним, в частности, относятся вещества на основе InSb(индий-сурьма),InAs (индий-мышьяк),GaAs(галлий-мышьяк),Ge (германий),Si (кремний). Наиболее подходящим материалом для использования в магнитных датчиках является основа InSb, обладающая наибольшей подвижностью основных носителей заряда. Сопротивление полупроводника R_b в магнитном поле описывается формулой:

,

где R₀ – сопротивление полупроводника вне магнитного поля; ρ_b – сопротивление полупроводника в магнитном поле; ρ_b – сопротивление магнитного поля; В – плотность магнитного потока; m – коэффициент, характеризующий отношение ширины к длине элемента.

В отсутствии магнитного поля движение носителей заряда в полупроводнике осуществляется по наименьшему пути (рис. 1.12) . При внесении элемента в магнитное поле под действием сил Лоренца траектория движения электронов изменяется, тем самым, изменяя общее сопротивление магниторезистора. Магниторезистерная характеристика для этого случая представлена на рис. 1.13.

Благодаря хорошей динамике, стабильности параметров и высокому уровню выходного сигнала датчики реагируют как на магнитные, так и на ферромагнитные материалы. Устройство магниточувствительного датчика приведено на рис. 1.14. Датчик представляет собой закрытую конструкцию, состоящуюиз металлического корпуса, с размещенным внутри магниторезистивным элементом ипостоянным магнитом. Чувствительные элементы датчика собираются по полумостовой или мостовой схемам. Напряжение выхода датчика знакопеременное, его полярность меняется при переходе магнитной полосы между магниторезистивными элементами.

Напряжение U_вых рассчитывается по эмпирической формуле и зависит от сопротивления магниторезистов:

, где R_МЭ – сопротивление магниточувствительного элемента, U_вх – напряжение питания

Типовая схема магниточувствительного датчика приведена на рис. 1.15. Кроме магниточувствительного элемента, который питается пониженным стабилизированным напряжением U_вх от блока А1, имеются два операционных усилителя DD1 и DD2, формирующих выходное напряжение U_{вых дат}, и светодиод VD, индицирующий включенное состояние датчика. В силу того, что U_{вых эл} магниточувствительного элемента исчисляется милливольтами, оно усиливается повторителем напряжения на DD1, дифференцируется R1-C2-цепочкой для создания четких параметров импульса, усиливается интегрирующим усилителемDD2 и поступает на выход датчика.

Напряжение питания датчика ± 15 В, что позволяет присоединять к нему нагрузку достаточной мощности (десятки ватт, например, электромеханическое реле).

Магниточувствительные датчики используются как датчики перемещения, например для контроля перемещения штока гидроцилиндра в гидросхемах оборудования для высекания продукции, в гидросхемах упаковочного оборудования и т. П

29. Тактильные чувствительные элементы

Тактильные датчики – это специальный класс преобразователей силы или давления, в частности в электрический сигнал.Тактильные датчики касания, например, используются в сенсор­ных дисплеях, клавиатурах и других устройствах, где необходимо реагировать на физическое прикосновение. В полиграфическом производстве тактильные датчики могут использоваться для определе­ния силы натиска, действующей в печатном аппарате, усилия прижима стопы бумаги в резальной машине и т. п.

Для изготовления тактильных чувствительных элементов используются различные методы. Одним из них является формирование на поверхности объекта специ­ального тонкого слоя из материала, чувствительного к механическим напряжениям.

Одна из контактных поверхностей (фольга) заземлена, а вторая подсоединяется мультиплексором к резистору, формирующему выходной сигнал. Приложение внешней силы к верхней поверхности прогибает ее и создает контакт с некоторой нижней поверхностью, что приводит к заземлению выхода мультиплексора, снятию выходного напряжения. Этим свидетельствуется наличие внешнего контакта с датчиком.

Высокая чувствительность и качество тактильных датчиков достигается применением специальных материалов для контактных поверхностей и схемного решения снятия тактильного сигнала. Примером такого материала может служить пьезоэлектрические пленки, например, из поливинилиден фторида. Они используются как в пассивном, так и в активном режимах работы.

Между верхней и нижней пленками толщиной 40 мкм расположен компрессионный слой в 25 мкм, обеспечивающий акустическую связь между ними. Механические характеристики этого слоя определяют чувствительность и рабочий диапазон датчика. На нижний пьезоэлектрический слой подается пере­менное напряжение генератора. Эти колебания заставляют периодически сжи­маться нижний слой, компрессионный слой и верхний слой, играющий роль приемника. Демодулятор, реагируя на амплитуду и фазу поступающего сигнала, обрабатывает его в выходное напряжение. Приложение внешней силы к датчику приводит к изменению механических характеристик его трехслойной структуры, что приводит к появлению на выходе демодулятора напряжения линейно зависящего от приложенного усилия (в определенных пределах). Достоинства данного датчика – простота и выходной сигнал в виде посто­янного напряжения.

Тактильные датчики могут выполнять функции сенсорных переключателей. Надежностьконтактов традиционных переключателей сильно снижается при попадании на них влаги и пыли, их работа, в частности, характеризуется дребезгом контактов. Пьезоэлектрические ключи могут работать в неблагоприятных условиях окружающей среды. Один из вариантов таких переключателей состоит из стального консольного элемента, на который нанесен слой пьезоэлектрической пленки.

Другой разновидностью тактильных датчиков является пьезорезистивный чувствительный элемент. Он изготавливается из материалов, чье электрическое сопро­тивление зависит от приложенного механического напряжения или давления. К таким материалам относятся эластомеры или пасты, чувствительные к изменению давления. Проводящие эластомеры изготавливаются из силиконовой резины, полиуретана и других материалов, в состав которых входят проводящие час­тицы или волокна. Значения сопротивления может значительно дрейфовать, когда полимер подвергается действию давления длительное время. По­этому такие пьезорезистивные датчики применяются, как правило, для качественных, а не количественных измерений. Более тонкие пьезорезистивные тактильные датчики получаются из полупро­водниковых полимеров, сопротивление которых также зависит от давления. Конст­рукция таких датчиков напоминает мембранный переключатель. Посравнению с тензодатчиками пьезорезистивные чувствительные элементы обладают бо­лее широким динамическим диапазоном: типовое изменение сопротивления состав­ляет три порядка при изменении силы в интервале 0...3 кг, но более низкой точнос­тью (обычно ±10%). Однако в тех случаях, когда не требуется точное измерение силы, а решающим является стоимость датчи­ка, применение таких детекторов являет­ся оправданным. Толщина типовых пье-зорезистивных полимерных датчиков обычно составляет 0,25 мм, но возможно изготовление и более тонких структур.

В тех случаях, когда требуются тактиль­ные микросенсоры, обладающие хоро­шим пространственным разрешением, высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном, следует применить датчики с механическим гистерезисом. Принцип действия такого порогового тактильного детектора с механическим гистерезисом может быть основан на использовании пласти­ческой деформации кремниевой мембраны.