Загальна характеристика датчиків (стр. 3 из 4)

Використання датчику тиску показане на рис.17.

Рис.17. Датчик тиску у якості датчика рівня рідини.

У донній частині контейнеру роблять порт для підключення датчику тиску. Зрозуміло, що чим вище рівень рідини, тим більший тиск у донній частині контейнеру. Звичайно, цей тиск треба перерахувати у рівень в залежності від питомої щільності рідини.

Ємнісний датчик тиску показаний на рис.18.

У рідину встановлюється вертикальний конденсатор, довжина якого дорівнює висоті контейнера. Частина конденсатора знаходиться у повітрі, діелектрична постійна якого e = 1, а частина – у рідині з більшою діелектричною постійною e. Чим вище рівень рідини, тим більша ємність конденсатора. Масла мають діелектричну постійну між 1,8 та 5, гліцерин – 37, а водні розчини різних речовин – від 50 до 80. У якості другої обкладинки конденсатора можна використовувати стінку контейнера. Якщо рідина електропровідна, то пластини конденсатору треба покрити ізоляційною плівкою.

Рис.18. Ємнісний датчик тиску

Ультразвуковий датчик рівня закріплюється на верхній кришці контейнера. Він випромінює ультразвуковий імпульс, який відбивається від поверхні рідини. По запізненню прийнятого імпульсу відносно випроміненого можна визначити рівень рідини. Використання такого датчика показане на рис.19.

Рис.19. Ультразвуковий датчик рівня

На цьому ж принципі працює радіолокаційний датчик рівня.

Потенціометричний датчик рівня

По всій висоті контейнера встановлюється вертикальна нитка з високорезистивного сплаву. Через цю нитку пропускається струм, який її нагріває до досить високої температури. Але та частина нитки, що знаходиться у воді Rin, охолоджується, а та частина, що знаходиться на повітрі Rout– нагрівається. Сума опорів Rin + Routдає значення рівня – чим вище рівень, тим менша сума. Див. рис.20.

Рис.20. Потенціометричний датчик рівня.

Оптоелектронний датчик

В цьому датчику у полімерному корпусі міститься світло випромінюючий діод інфрачервоного діапазону та фотоприймач. Якщо датчик не контактує з рідиною, то інфрачервоне випромінювання повністю відбивається від границі полімер-повітря (рис.21).

Рис.21. Оптоелектронний датчик рівня

Якщо датчик контактує з рідиною, то інфрачервоне випромінювання не приходить на оптоелектронний приймач і струм через цей приймач різко спадає. Такі датчики встановлюють в контейнерах з рідиною на різних рівнях. Для таких датчиків не важливо, яка рідина. Часто їх використовують в бензобаках.

Датчики кутових величин

Потенціометричний датчик кута нахилу

Цей датчик використовується, коли об’єкт, на якому він встановлюється, змінює своє положення у просторі (транспортний засіб, корабель тощо). На засобі встановлюється потенціометр, у якого є початок та кінець резистивної обмотки. Рухома частина потенціометру (повзунець) закріплений за допомогою тяги на вертикальному вантажі. Якщо нахил об’єкту змінюється, потенціометр змінює своє положення у просторі, а вантаж – ні. Тому відношення опорів плечей потенціометра R1/R2 залежить від куту нахилу, як це показано на рис.2

Рис.2 Потенціометричний датчик кута нахилу

Кодоперетворювач кута

Цей пристрій дозволяє перетворити кут повороту у цифровий код. Для цього треба створити кодову матрицю, яка показана на рис.23.

Рис.23. Кодова матриця для перетворення кута

Зовнішнє кільце матриці поділене на два сектори: перший 180° - світлий, другий від 180° до 360° - темний. Це самій старший розряд двійкового коду. Наступне кільце поділене на 4 частини по 90°: перша світла, друга темна, знову світла і знову темна. Це другий розряд двійкового коду. Трете кільце поділене на 8 частин по 45°, четверте – на 16 частин по 22,5°, п’яте – на 32 частини по 12,25° і т. і. Кожне наступне кільце має удвічі більше ділень, ніж попереднє. Кодову матрицю виготовляють на диску, який встановлюють на пристрої, що повертається. Диск освітлюється, а відбите світло попадає на фотодіоди ФД, кожен з котрих встановлений над відповідним сектором кодового диску, як це показане на рис.24.

Рис.24. Обробка даних кодової матриці

Сигнали фотодіодів оброблюються у блоках обробки, де вони підсилюються та проходять через компаратори, в результаті чого визначаються розряди цифрового коду кута повороту.

Датчики прискорення та удару

Акселерометри за технологією MEMS

Технологія MEMS (MicroElectroMechanicalSystem – мікро електронно-механічні системи) дозволяє у корпусі мікросхеми розмістити як електронні, так і механічні системи. Завдяки цьому можна механічні переміщення елементів мікросхеми перетворювати у електричні сигнали, зокрема цифрові. Типова структура такого датчика показана на рис.25.

Рис.25. Структура датчика MEMS

У якості кристалу може бути ємнісна, п’єзоелектрична, оптична, ферроелектрична система, що реагує на прискорення або удар. На рис.26 показана структура ємнісної системи, пластини якої мають товщину 20 мікронів.

Рис.26. Структура ємнісної системи

Під дією прискорення або удару пластини однієї групи зміщуються відносно другої групи, тому змінюється ємність конденсатора, яка потім перетворюється у електричний сигнал. Діапазон прискорень, наприклад для датчика ADXL202 складає ±2g.

Іншим прикладом є гіроскоп або датчик кутового прискорення. Принцип дії приладу показаний на рис.27.

Рис.27. Структура гіроскопу

Під дією кутового прискорення або кутового переміщення ротор повертається відносно електродів виявлення, завдяки чому змінюється ємність системи. Ця ємність перетворюється у вихідну напругу, що пропорційна куту переміщення. У гіроскопа ADXRS300 цей кут досягає ±300°.

3. Датчики температури

Термічні резистори

Як відомо, опір металічних провідників залежить від температури відповідно до формули:

Rt = R0[1 + a(T2 – T1)],

де Rt – опір при температурі Т2,R0 – опір при температурі Т1, a - температурний коефіцієнт, що залежить від металу, який використовується, наприклад, для заліза a = +0,005; для платини a = 0,0038; для алюмінію a = 0,0038 тощо. Зараз, як правило, використовують платинові датчики, які на відміну від інших металів мають високу лінійність (у діапазоні температур від 0 до +100°С лінійність складає ±0,2%). Платинові датчики використовуються в широкому діапазоні температур – від -183 до +630°С. При більш низьких температурах використовують датчики з родію.

Термістори

Термістори – це нелінійні напівпровідникові резистори. Вони являють собою тонкий шар напівпровідника, що розміщується на оксидах міді, кобальту, нікелю, або інших металів. На відміну від термічних резисторів зміна опору таких резисторів дуже велика: від 4 до 6% на один градус Цельсію. Термістори бувають двох типів: негативні та позитивні. У перших опір зменшується при зростанні температури, у других – збільшується. Залежність опору від температури описується формулою:

Rt = R0 exp[b(1/T2 – 1/T1)],

де Rt – опір при температурі Т2, R0 – опір при температурі Т1, b - фактор, що залежить від матеріалу і виражається у градусах Кельвіна, він звичайно знаходиться між 1500°К та 7000°К. Для порівняння зміна опору від температури для термічних резисторів та термісторів показана на рис.28.

Термопари

Термоелектричні явища були відкриті Томасом Зеебеком у 1821 р. Якщо підігріти спай двох різних металів, то на кінцях їх виводів з’явиться напруга пропорційна зміні температури з коефіцієнтом, залежним від того, яка пара металів використовується (рис.29).

Рис.28. Зміна опору від температури для термічного резистора

Рис.29. Схема ефекту Зеебека

Ці спаї в типовому випадку використовуються парами – гарячий спай та холодний спай, тому потенціал Зеебека пропорційний різниці температур між спаями. Холодний спай потрібно поміщати, наприклад, у холодну воду з температурою 0°С. Але в апаратурі частіше роблять штучний холодний спай, як це показано на рис.30.

Рис.30. Схема зі штучним холодним спаєм

Замість холодного спаю вміщують схему, яка має такий самий потенціал Зеебека, як холодний спай.

Термопари частіше використовують для вимірювання високих температур, наприклад, 1500°С.

Мікросхемні датчики температури

Ці датчики являють собою стабілітрони, у яких напруга стабілізації залежить від температури з коефіцієнтом 10 мВ/°K. Еквівалентний стабілітрон має динамічний опір менший за 1 Ом і працює в діапазонах температур від -55 до +150°С. Для таких мікросхем, як LM135, LM235, LM335 похибка вимірювань складає менша за 1°С. Схема включення мікросхем такого типу показана на рис.31.

Рис.31. Схема включення мікросхемного датчика температури