Элементы информационных систем

Глава 2. Элементы информационных систем

Основой любой информационной системы является первичный преобразователь или чувствительный элемент (ЧЭ), изменяющий свое состояние под действием разнообразных вли­яющих факторов. В общем случае, каждый ЧЭ реагирует на различные воздействия, не являясь, таким образом, датчиком определенного параметра. Именно это обстоятельство привело к появлению пог­­реш­­ностей измерения. Пре­д­­­варительная обработка, в том числе и компенсация пог­решностей ЧЭ осуществляется измерительной цепью. В нее, кроме основных ЧЭ, предназначенных для измерения параметров сигналов, включают и дополнительные - ком­пенсационные ЧЭ, служащие для устра­нения погрешностей.

2.1. Чувствительные элементы датчиков

Среди ЧЭ, используемых в технике будем рассматривать лишь те, которые используются при формировании кинестетической, локационной, визуальной и тактиль­ной сенсорных функций - основных функций робототехнических и мехатронных систем.

В соответствии с физическим принципом, положенным в основу преобразования инфор­мации, различают следующие основные типы ЧЭ:

• резистивные (в том числе - тензо- и фото);

• оптические;

• электромагнитные (в первую очередь - ин­дук­тивные);

• пьезоэлектрические,

• ЧЭ, основанные на эффекте Холла.

2.1.1. Резистивные чувствительные элементы

Резистивные ЧЭ нашли широкое применение во всех областях измерительной техники. Принцип действия резистивных ЧЭ основан на измерении вариаций сопротивления резистора R, определяемого по фор­муле:

где r - удельное сопротивление, l и $ - длина и сечение проводника.

Схематическое обозначение основных типов резисти­в­ных ЧЭ приведено на рис. 2.1. Промышленно выпускают аналоговые и цифровые ЧЭ

Аналоговые резистивные ЧЭ изготовляются из проводников, полупро­водников и прово­дящих жидкостей. Они имеют сопротивление в диапазоне 1 ... 10⁶ Ом. Сопротивление цифровых резистив­ных ЧЭ, представляю­щих собой разные комму­таторы (тири­сторы, фотоэлектрические уст­рой­ства и т.д.) практически неограниченно. Допуски на резистивные ЧЭ указываются в % в со­ответствии с рядом: 0,001 0,002 0,005 0,01 ... 1 2 5 10 20 30

В системах управления при построении потен­ци­ометрических датчиков положения и пере­ме­ще­ния широкого диапазона изме­рения используются пере­менные (проволоч­ные и пленочные) резистивные ЧЭ. Сравнительные характеристики подобных ЧЭ приведены в табл.2.1. Обозначено: R - номинал, N - число оборотов вала,  и V- угловая и линейная скорости вала, P - электрическая мощность, Æ, 1 и m - диаметр, длина и масса датчика соответственно.

Таблица 2.1. Сравнительные характеристики резистивных ЧЭ

Модель	Тип	R, кОм	N, об	e, %	w, об/мин, (V м/c)	P, Вт	Размеры Æ, мм 1, мм		m, кг
ПТП-1	круговой	0,2 ... 20	1	0,3	100	1	29	22	0,04
ППМЛ	круговой	0,4 ... 8,2	20	0,02	200	1	19	76	0,1
СП5-39	круговой	0,2 ... 47	20	0,1	150	2	15	43	0,05
СП4-8	круговой	1 ... 220	1	0,01	100	0,5	31	21	0,02
СР-JCL	линейный	0,2 ... 20	1	0,05	(500)		10	2000

Первые четыре модели разработаны в России. В дальнейшем будем отдельно отмечать устройства иностранных производителей. Модель СР-JCL разработана фирмой Kopal Den­sey, Япония.

Наиболее распространенным первичным пре­образователем инфор­ма­ционных систем тактильного типа являетсятензорезистор, представ­ляющий собой металлическую нить различной формы (рис. 2.2). Тен­зорезистор (ТР) устанавливается на поверхности упругого элемента датчика. Воз­никающая в упругом элементе деформация вызывает изменение сос­тояния ЧЭ, в соответствии с явлением тензоэффекта. Диапазон до­пустимых деформаций ТР определяется необходимой точностью из­ме­рений, и при погрешности 0,1% составляет ~ 1 10^-5 ... 2 10^-1 [ ].

Тензоэффектом называется свойство про­вод­ников и полупроводников изменять электри­ческое сопротивление при деформации. У полу­про­вод­ников тензоэффект связан с изменением удельного сопротивления, причем его знак зависит от типа проводимости ма­териала, а ве­ли­чина - от кристаллогра­фи­чес­кого направления. Работа ТР ЧЭ основана на законе Гука:

s = e_l E

где E, s, e_l - модуль Юнга, напряжение и линейная деформация соответственно. Для стали, например, s = (2 ... 8)10⁸ Н/м², E = (1,8 ... 2,9) 10¹¹ Н/м²; для свинца - (5 ...10) 10⁶ Н/м² и (5 ... 18) 10⁹ Н/м² соответственно.

Деформация ТР измеряется в микрострейнах (мСт). 1 мСт соответствует де­фор­мации e_l = Dl/l = 1мкм/1м, т.е. = 10^-6.

Сопротивление металлической нити  R = r l/$  при деформации изменяется по закону:

DR/R = Dl/l - D$/$ + Dr/ r = Dl (1+2n)/l + Dr/ r = (1+2n+m) D1/l

Здесь m - коэф­фи­циент пьезосопротивления, n - коэффициент Пуассона, рав­ный отношению поперечной деформации e_{l поп} к про­дольной e_{l прод}:

n = - e_{l поп}/e_{l прод}

В зоне линейной упругости n  = 0,3. (В выражении для D$/$ учитывается, что се­чение нити $ равно произведению сторон a и b - для прямоугольного сечения или pR² - для круглого, что и приводит к равенству D$/$ = -2n Dl/l).

Тензочувствительность  первичного прео­б­разователя S_т  определяется за­висимостью:

Слагаемое  (1+2n) характеризует зави­си­мость S_т  от изменения геометрии, а m - от изменения свойств материала. Тензочувствительность показывает, насколько относительное изменение сопротивления ЧЭ превосходит его относительную деформацию. Так, например, для металлических ТР n = 0,3 и m = 0,4, следовательно, S_т » 2.

Таким образом, функция преобразования ТР ЧЭ примет вид: DR/R = S_т Dl/l или, обозначая DR/R = _R, а Dl/l = _l, получим _R = S_т _l

Важной характеристикой ТР является их температурная чувствительность, приводящая к изменению сопротивления даже в отсутствии деформации упругого элемента (рис. 2.3). Для ее оценки используется температурный ко­эффициент сопротивления  (ТКС) , где параметрR^T пока­зывает изменение сопротивления ТР под действием тем­пе­ратуры. Коэффициенты _R находятся в пределах от 2 10^-5/⁰C - для константана, 10 10^-5 - для нихрома и до 19 10^-5/⁰C - для изоэластика.

ТР разделяются на три основные группы: проволочные, фольговые и полупроводниковые.

Основой проволочных ТР является струна из константановой проволоки диаметром ~ 2 ... 30 мкм, вкле­­енная с по­мощью фенольной смолы между бумаж­ными подложками. Струна изготавливается либо волоче­нием, либо методами мик­рометаллургии.

Вфольговых ТР (рис. 2.2 а) используется кон­стантановая решетка, которая вытравливается фотохимическим способом из листов толщиной 5 ... 10 мкм и приклеива­ется на бумагу толщиной 30 ... 100 мкм. ТР этого типа имеют лучшую избирательность за счет оптимизации рисунка решетки. Так, например, для уменьшения влияния по­перечных деформаций поперечные части решетки делаются толще продольных. В этом случае, их электрическое сопротивление уменьшается.

Полупроводниковые ТР (рис. 2.2 б) также представляют собой проволоку или решетку, а в качестве ЧЭ используют монокри­сталлический германий или кре­мний. Они делятся на две группы: струнные и диффузионные. Струнные ТР изготавливают методом травления. Толщина струнных ТР составляет 20 ...50 мкм, ширина - до 0,5 мм и длина - 2 ... 12 мм;. Диффузионные ТР выполняются при помощи инжек­ти­рования при­месей непосредственно в монокристалл кремния, яв­ляющийся упругим эле­мен­том датчика. Изоляционный слой образуется благодаря p-n переходу, смещенному в обратном на­прав­лении. Дан­ная техноло­гия обеспечи­вает получение идентичных параметров всех ЧЭ.

Сравнительные характеристики ТР ЧЭ приведены в табл.2.2. Обозначено: I - ток, b - ширина ЧЭ.

Таблица 2.2. Сравнительные характеристики ТР ЧЭ

Модель	Тип	Диапазон деформа­ций, мСт	Sт	I, мА	S, мВ/В	Размеры l, мм b, мм
КТД-2А, КТЭ-7Б	Полупровод­никовый	1000	100	10	150	2 7	0,7 0,7
КФ-5, ФКПА	Фольговый	2000	3	30	3	11	5
Вт 356	Проволочный	6000	2	50	2	15	10
LG11 0,6/120	Фольговый	5000	2	12	2	5	3

Модель LG11 0,6/120 разработана фирмой HBM, Германия.

В настоящее время наилучшими ха­рак­те­рис­тиками обладают фольговые ТР. Для них характерна малая поперечная чувствительность S_т^поп и хорошая температурная стабильность. В зоне Гука (при e_l < 0,65%,  n = 0,3)  S_т  для константана равен двум, при ТКС _R ~ 0,002%/ ^оC.

Проволочным ТР свойственна большая поперечная чувствительность S_т^поп. В расчетах полагают, что для них S_т^поп = 2 10^-2 S_т.

Полупроводниковые ТР при существенно большей S_т (выше 100), обладают меньшей линейностью и самой высокой из всех ТР температурной чувствительностью. Для расширения температурного диапазона эксплуатации для полупроводниковых ТР используется технология «кремний на сапфире» (КНС), обеспечивающая работоспособность в диапазоне до - 271 ... + 400 ⁰С.

При размещении ТР на поверхности упругого элемента его ТКС становится зависим от материала упругого элемента. Температурная компенсация ТР достига­ется при исполь­зо­вании материалов с согласованными темпера­тур­ными коэффициен­тами расширения _т. В этом случае, вместо параметра _R используется интегра­ль­ный коэффициент b, учитывающий материал упругого элемента. Итоговое изменение сопротивления ТР, установленного на упругий элемент составит: . Здесьb = S (^ТР_т - ^У_т), а ^ТР_т и ^У_т - температурные коэффициенты линейного расширения материалов ТР и упругого элемента. Датчик считается термоком­пенсированным, если b < 1,5 10^-6/ ^oC. Эффективная термокомпенсация обеспе­чива­ется для датчиков с упругими элементами из титана, стали, меди и других материалов с постоянными ТКС. ТР, работающие в динамических режимах не термокомпенсируют.