3. Виды механических сенсоров кратко

Привет, Вы узнаете о том , что такое механических сенсоров, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое механических сенсоров, механический сенсор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы .

механических сенсорах первичные сигналы о состоянии исследуемого объекта или процесса имеют механическую природу. Это могут быть: изменение формы и/или размеров тел; изменение их взаимного расположения, т.е. механическое перемещение; изменение скорости движения; возникновение ускорений; изменение амплитуды, фазы или частоты механических колебаний и т.п. Соответственно есть смысл подразделять механические сенсоры с учетом физической природы чувствительных элементов и первичных информационных сигналов, которые в них возникают, на следующие виды:

• деформационные сенсоры, первичными сигналами в которых являются изменения формы, объема или размеров чувствительного элемента;

• сенсоры линейного перемещения, первичным сигналом в которых является перемещение центра массы тела в пространстве;

• сенсоры углового перемещения, первичными сигналами в которых являются наклон тела, поворот, вращение;

• акселерометры, в которых первичным сигналом является возникновение механического ускорения;

• вибрационные сенсоры, в которых первичным сигналом является изменение состояния механических колебаний тела или системы тел;

• хроматографические сенсоры, первичные сигналы в которых появляются вследствие механического перемещения молекул (жидкости, газа) сквозь пористую среду.

.3.1. Деформационные чувствительные элементы

Наиболее известными деформационными чувствительными элементами являются деформационные чувствительные элементы для измерения температуры, силы и давления. В производственных условиях для слежения за температурой с целью ее регулирования преимущество обычно отдают биметаллическим чувствительным элементам. Они представляют собой биметаллические полоски, которые состоят из двух прочно соединенных между собой слоев металлов с существенно отличающимися температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). При повышении температуры один из металлов удлиняется больше, другой – меньше. В результате биметаллическая полоска выгибается в сторону металла с меньшим ТКЛР

При измерениях давления жидкости или газа в качестве чувствительных элементов часто используют механические устройства, которые деформируются под действием давления. Наиболее употребительные из них – сильфоны, мембраны и упругие трубки.

Для измерения веса и силы часто используют и другой деформационный чувствительный элемент – пружину. Пружины в качестве чувствительного элемента используют обычно лишь в пределах линейной упругой деформации, когда выполняется известный закон Гука:

(2.1)

где – коэффициент упругости, – приложенная сила, – длина ненагруженной пружины, – величина растяжения или сжатия пружины.

При применении микросистемных технологий из всех выше перечисленных деформационных элементов проще всего реализовать мембраны. Им обычно и отдают предпочтение. Непосредственно в кремниевой мембране формируют и кремниевые тензорезисторы, которые преобразуют механическую деформацию в электрические сигналы. Рядом с миниатюрной мембраной в том же кристалле кремния формируют также и микросхемы, требуемые для считывания и электронной обработки сигналов

3.2. Сенсоры линейного перемещения

Известным видом механических чувствительных элементов, в которых первичный сигнал появляется в форме линейного перемещения, являются поршни.. На одной стороне подвижного поршня в герметически закрытой части цилиндра находится газ, а с другой стороны – среда, в которой измеряется давление. Это может быть тоже газ или жидкость. Когда измеряемое давление возрастает, подвижный поршень перемещается, сжимая газ в закрытой части цилиндра до тех пор, пока его давление не уравняется с внешним. Когда измеряемое давление уменьшается, то поршень перемещается в противоположном направлении до достижения нового состояния равновесия

Следующим известным механическим чувствительным элементом с линейным перемещением является поплавок.. В датчиках уровня жидкости используют тот факт, что поплавок перемещается вместе с перемещением поверхности жидкости. А его перемещения могут быть разными способами преобразованы в электрические, визуальные или другие виды сигналов.

Например, небольшие постоянные магниты размещены в теле поплавка. В каждый момент срабатывает лишь тот переключатель, который располагается внутри поплавка и поэтому подвержен действию магнитов. Сопротивление электрической цепи прямо зависит от местоположения поплавка и, следовательно, – от уровня жидкости.

Для измерения плотности жидкостей часто применяют ареометры. Ареометр состоит из полой стеклянной, металлической или пластмассовой капсулы к которой прикреплена тонкая "шейка" со шкалой . Капсулу заполняют дробью с таким расчетом, чтобы капсула была полностью погружена в контролируемую жидкость, но не тонула в ней, а плавала, и часть шейки со шкалой выступала над поверхностью жидкости. Согласно закону Архимеда условие плавания ареометра имеет вид:

(3.2)

• где – масса ареометра, – ускорение силы тяжести, – плотность жидкости, – объем части ареометра, погруженной в жидкость.

Для определения коэффициентов поверхностного натяжения жидкостей используют капиллярные трубки, в которых высота поднятия или опускания столбика жидкости h определяется величиной поверхностного натяжения и плотностью жидкости:

где – диаметр капилляра, – ускорение силы тяжести.

3.3. Сенсоры углового перемещения

Среди сенсоров углового перемещения выделяют 2 группы: сенсоры угла наклона (крена) и сенсоры угла поворот.

Инклинометры

Сенсоры угла наклона называют еще "инклинометрами" (от латинского incline – наклоняю). Чаще всего речь идет об угловом отклонении от вертикали или от горизонтальной плоскости. Уже самые древние строители использовали с этой целью отвесы, ватерпасы, уровни.

На рис. 3.1 показана современная оптоэлектронная конструкция инклинометра, которая обеспечивает возможность измерения одновременно двух углов наклона во взаимно перпендикулярных плоскостях. В корпусе 1 размещены светодиод 2, кремниевый чип 3 со сформированными в нем фотодиодами или фототранзисторами 4 и усилителями, пластиковое полушарие с прозрачной жидкостью 5 и оставленным в ней воздушным пузырьком 6. Этот пузырек, преломляя свет от светодиода 2, создает область тени 7. Когда корпус 1 расположен горизонтально, тень от пузырька одинаково прикрывает все 4 фотодиода. Если корпус немного наклоняется, то воздушный пузырек смещается. Соответственно по поверхности фотодиодов смещается и тень от него (рис. 3.1 справа). И сигналы от фотодиодов становятся разными. Их измерение позволяет точно рассчитать углы наклона относительно двух ортогональных осей. Для этого сенсор еще в процессе производства точно калибруют при нормальной и при крайних рабочих значениях температуры. Данные калибровки заносят в память микропроцессора.

Рис. 3.1. Конструкция и принцип действия двухкоординатного оптоэлектронного инклинометра

Погрешность измерения углов наклона таким способом не превышает 0,01°. Это позволяет с большой точностью контролировать форму поверхности, например, зеркал больших телескопов, плоскостность и горизонтальность направляющих рельсов больших высокоточных координатных столов и т.п.

Абсолютные энкодеры

Сенсоры угла поворота прошли большой путь совершенствования. За много столетий развития техники создано немало разных методов и устройств. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Сначала это были исключительно механические устройства. В них с помощью механических передач угол поворота или количество выполненных оборотов преобразовывались и отображались в виде перемещения стрелки вдоль шкалы с градусными делениями или в виде числа, формируемого в прозрачном окошке системой колесиков, на ободе которых нанесены цифры.

В середине ХХ века более популярными стали магнитные и электрические сенсоры угла поворота или количества оборотов. Ныне для измерения углов поворота и количества оборотов все чаще стали использовать оптоэлектронные энкодеры. По принципу действия принято различать так называемые "абсолютные" и "инкрементные" энкодеры.

Абсолютные энкодеры выдают на свой выход цифровые коды, которые отвечают абсолютному значению угла поворота относительно положения, принятого за нуль. Принцип действия абсолютного энкодера, рассчитанного на один оборот. На вал, закрепленный на двух прецизионных подшипниках и кинематически соединенный с узлом, вращение которого контролируется, насажен кодовый диск. На последнем выделены кольцевых дорожек с прозрачными и непрозрачными участками.. Свет свободно проходит сквозь прозрачные участки дорожек и, попав на соответствующие фотодетекторы, вызывает появление сигнала "1" на выходах соответствующих усилителей. Сквозь непрозрачные участки дорожек свет не проходит, и на выходах соответствующих усилителей формируются сигналы "0".

Общее число возможных п-разрядных двоичных кодов составляет 2n. Поэтому точность определения углового положения диска равняется (360° : 2n+1).

В абсолютных энкодерах информация об угловом положении вала сохраняется даже при отключении питания, поскольку фиксируется физически положением кодовых дисков. При использовании для кодирования положения вала обычного двоичного кода переход к соседнему положению может послужить причиной изменения нескольких бит одновременно. Например, при переходе от 0111 до 1000 изменяются одновременно 4 бита. Поэтому вблизи позиции перехода из-за некоторой несинхронности изменения разрядов могут кратковременно выдаваться неверные коды.

Избавиться от этого позволяет кодирование известным кодом Грея.

Инкрементные энкодеры

В инкрементных энкодерах счетный диск имеет, как правило, лишь одну дорожку, на которой прозрачные и непрозрачные участки чередуются. И соответственно вместо линейки фотодетекторов используют лишь 1 или 2 фотодетектора – в зависимости от того, возможно вращение диска лишь в одном или в обоих направлениях. На выходе сенсора будет формироваться последовательность импульсов с периодом, обратно пропорциональным скорости вращения диска..

где – отклонение инертной массы М от положения равновесия; – коэффициент затухания, обусловленный демпфированием; – коэффициент жесткости упругого элемента; – текущее ускорение объекта, на котором установлен акселерометр.

Демпфер обычно регулируют так, чтобы коэффициент затухания достиг критического значения. В этом случае время реакции акселерометра на изменение ускорения оказывается наименьшим, и даже при скачкообразном изменении ускорения колебания вокруг нового положения равновесия не возникают. Чтобы определить ускорение , достаточно измерить отклонение от положения равновесия или силу , которая действует на упругий элемент.

Таким образом, инертная масса М обеспечивает преобразование первичного информационного сигнала в виде линейного ускорения в механическое перемещение или в силу деформации упругого элемента. Упругий элемент обеспечивает линейность или, по крайней мере, взаимную однозначность преобразования. А демпфер предотвращает возникновение длительных колебательных процессов. Получается, что все они являются необходимыми составными элементами акселерометра.

На рис. 3.3 показана конструкция емкостного акселерометра, изготовленного с использованием МСТ. В кристалле кремния 1 вытравлены участки 2 так, что значительная инертная масса 3 механически отделена от других частей акселерометра. Она соединена с ними лишь тонкими перемычками 4, которые играют роль упругих элементов. На небольшом расстоянии (~ 10 мкм) от кристалла кремния сверху и снизу расположены металлические электроды 5 и 6. Роль демпфера играет вязкая непроводящая жидкость, которой заполняется пространство между электродами и кремнием.

Рис. 3.3. Конструкция емкостного акселерометра

Инертная масса 3 в такой конструкции может перемещаться только по вертикали. Электрические емкости между ней и верхним (нижним) электродами включены в противоположные плечи электрической мостовой схемы переменного тока. Ее балансируют так, чтобы при отсутствии ускорения сигнал на выходе равнялся нулю. Когда объект, на котором установлен акселерометр, движется с ускорением, направленным вдоль оси сенсора, инертная масса 3 смещается из положения равновесия, вследствие чего одна из емкостей возрастает, а другая уменьшается. Из-за нарушения баланса на выходе мостовой схемы появляется напряжение соответствующего знака и тем большее, чем больше ускорение. Мостовую электрическую схему, необходимые электронные ключи, усилители, элементы термокомпенсации, – все, что требуется для обработки сигналов и калибровки акселерометра, – формируют ныне методами МСТ(микросистемной технологии) на том же кристалле кремния.

В описанной конструкции акселерометра ускорение, которое и является здесь первичным информационным сигналом, сначала превращается в линейное перемещение инертной массы. Перемещение, в свою очередь, преобразуется в изменение емкости верхнего и нижнего конденсаторов, а последнее – в электрический сигнал.

В пьезорезистивных акселерометрах измеряется не линейное перемещение инертной массы, а сила, которая действует на упругий элемент. Для измерения этой силы в упругих элементах формируют кремниевые пьезорезисторы.

Угловые акселерометры

Для измерения угловых ускорений требуется ротор 1 с достаточно большим моментом инерции (рис. 3.4) относительно оси вращения 2. Этому вращению должен противодействовать упругий элемент закручивания 3, который создает момент силы, пропорциональный углу закручивания. И также нужен демпфер, который гасит энергию возникающих крутильных колебаний. Тогда в случае возникновения углового ускорения контролируемого объекта в направлении оси акселерометра, ротор 1 под действием момента инерции поворачивается на определенный угол.

Рис. 3.4. Механическая схема углового акселерометра: 1 - ротор; 2 - ось вращения; 3 - упругий элемент; 4 - нижняя опора; 5 - верхняя опора

Вращение ротора описывается дифференциальным уравнением, аналогичным (4.1), в котором массу надо заменить на момент инерции ротора, линейное смещение на угол поворота, а линейное ускорение – на угловое ускорение. Роль демпфера играет регулируемый момент сил трения между осью ротора и опорами. Измеряя угол закручивания или момент силы на упругом элементе, можно определить величину углового ускорения.

С использованием микросистемных технологий угловые акселерометры нынче тоже делают в микроминиатюрном исполнении.

3.5 Вибрационные измерительные сенсоры

В этих сенсорах первичным информационным сигналом является изменение состояния механических колебаний тела или системы тел. Механические колебательные системы могут быть очень чувствительными к тем или иным факторам воздействия, чем и пользуются при построении вибрационных сенсоров.

В разделе "Электрические сенсоры" рассмотрены методы возбуждения незатухающих механических и электрических колебаний пьезоэлектрического кристалла при синхронной подкачке энергии, например, через транзистор с использованием положительной обратной связи. Колебания эти происходят на собственной резонансной частоте кристалла, которая обычно лежит в диапазоне единиц-десятков мегагерц и зависит от его геометрических размеров и массы. Если последние изменяются, то меняется и частота колебаний.

Для компенсации влияния изменений температуры и других помех рядом устанавливают два одинаковых пьезоэлектрических вибратора. Один из них – опорный – остается вне влияния, а на другой действует контролируемый фактор. Для определения величины влияния этого фактора измеряется разность частот колебаний измерительного и опорного вибраторов. Она практически не зависит от изменения температуры и от других сторонних помех, одинаково влияющих на частоту обоих вибраторов.

Чаще всего влияющим фактором является добавление на пьезоэлемент незначительной массы, величину которой надо определить. Тогда такой вибрационный сенсор работает как микровесы, чувствительность которых составляет порядка 1 мкг. Изменение частоты (в Гц) в рабочем интервале обычно описывают формулой

где – исходная частота колебаний (МГц); – прирост массы (г); – площадь электрода пьезокристалла (см2).

Если размерность задана в Международной системе единиц СИ, то надо использовать следующую формулу:

где – в Гц; –в кг; – в м2.

Если на поверхность двух пьезоэлектрических кристаллов нанести специфический рецепторный слой – тонкую пленку материала, который избирательно адсорбирует (присоединяет) молекулы какого-то газа, и обеспечить контакт одного из кристаллов с атмосферой, то в результате абсорбции молекул соответствующего газа масса этого кристалла несколько возрастает. Соответственно изменяется и частота его собственных колебаний. Измеряя разность частот колебаний, можно определять удельное содержание соответствующего газа в атмосфере. Например, если на поверхность кристалла нанести тонкую пленку золота, то сенсор становится чувствительным к наличию в окружающей атмосфере паров ртути. Если пары ртути присутствуют, то ее атомы адсорбируются золотой пленкой, образуя амальгаму. Масса пленки несколько возрастает, что можно выявить по изменению частоты механических и электрических колебаний пьезокристалла. Естественно, что масса адсорбированных паров зависит от удельного содержания соответствующего газа в контролируемой среде и от времени "экспозиции".

Кантилеверы

С использованием современных микросистемных технологий механические колебательные системы удается теперь выполнять в удивительно малых размерах. Особенно популярными в этой области стали так называемые кантилеверы (сantilever) – закрепленные на одном конце упругие длинные балки, напоминающие по форме трамплины, с которых спортсмены прыгают в воду. В качестве примера, на рис. 3.5 показаны три кантилевера 1, сформированные методами МСТ в кристалле кремния 2.

Рис. 3.5

Пример конструкции кремниевых кантилеверов: 1 - кантилеверы; 2 - основной объем кремния; справа – увеличенное изображение кантилевера; 3 - чувствительная зона; 4 - пьезорезистор; 5 и 6 - электроды для возбуждения и поддержания механических колебаний

Справа один из кантилеверов показан в увеличенном виде. На его верхней поверхности формируют чувствительную зону 3 и пьезорезистор 4, а снизу – электрод 5. Для возбуждения и поддержания незатухающих механических колебаний кантилеверов 1 используют обычно электростатические силы, создаваемые подачей переменного напряжения между кантилевером и электродом возбуждения 6, сформированным на подложке из кремния.

. Необходимую положительную обратную связь обеспечивают пьезорезисторы 4, формируемые вблизи закрепленного конца кантилевера, где сосредоточены наибольшие деформации. Механические колебания автоматически поддерживаются на резонансной частоте свободных колебаний кантилевера. Обычно эта частота составляет несколько мегагерц. Возбуждение и поддержание незатухающих механических колебаний кантилеверов можно осуществлять также другими способами: магнитным, электромагнитным и т.д.

На чувствительную зону 3 наносят "рецепторный слой" – покрытие, избирательно чувствительное к контролируемому химическому веществу или к определенному белку, вирусу либо к другому аналиту. Если этот аналит присутствует в среде, с которой контактирует кантилевер (газ, жидкость), то некоторые его атомы (молекулы, частицы) химически связываются с чувствительным покрытием 3. Из-за вызываемого этим незначительного изменения массы частота механических колебаний кантилевера изменяется. Соответственно изменяется и частота сигналов от пьезорезистора 4. Эти сигналы воспринимаются и обрабатываются электронными схемами, которые сформированы в том же кристалле кремния. Поскольку собственная масса кантилевера очень мала и фиксируются даже очень незначительные изменения частоты, то чувствительность таких вибрационных сенсоров оказывается достаточно высокой.

Виброанализаторы

Свою собственную резонансную частоту имеют не только пьезокристаллы, мембраны, кантилеверы. Каждая механическая конструкция имеет свои резонансные частоты, свои характерные колебательные свойства. И при любых механических повреждениях или деформациях картина их собственных колебаний изменяется. Это создает принципиальную возможность по изменению картины механических колебаний обнаруживать нежелательные изменения и дефекты, которые появились в конструкции. Научно-техническую дисциплину, которая этим занимается, называют вибродиагностикой, а приборы для измерения и анализа механических колебаний – виброметрами и виброанализаторами.

Исследование, описанное в статье про механических сенсоров, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое механических сенсоров, механический сенсор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы