Курсовая работа: Загальна характеристика датчиків

Рис.10. Конструкція датчика сили

При натисненні на кнопку відстань між провідною силіконовою шайбою та електродами змінюється. Тому змінюється і ємність між обкладками електродів на друкованій платі. Мікросхема контролера перетворює ємність датчика у напругу, а потім у цифровий код. Такі датчики використовують у клавіатурах комп’ютерів, пультах мобільних телефонів, відеокамерах тощо.

Для вимірювання тиску використовується гнучка пластина конденсатора. Якщо на цю гнучку пластину поданий тиск, вона наближується до іншої постійної пластини конденсатора, тому ємність конденсатора змінюється в залежності від тиску. На рис.11 зображена така конструкція датчика тиску.

Рис.11. Конденсаторний датчик тиску

У конкретних конструкціях формуються складні форми діафрагм, що дозволяють одержати комбінації лінійності, чутливості та частотної характеристики.

П’єзоелектричні датчики

Дія цього датчика основана на використанні п’єзоелектричного ефекту, при якому при стисненні кристалу на його гранях з’являються електричні заряди. Такі датчики не потребуються зовнішнього збудження. Схема датчика показана на рис.1

Рис.1 П’єзоелектричний датчик тиску

Під дією тиску діафрагма натискає на кристал і на тому з’являється напруга, що пропорційна тиску. Ці датчики доцільно застосовувати, якщо вимірюється тиск, що швидко змінюється. Головна якість цих датчиків – високі динамічні характеристики (частоти до десятків МГц). Реальна конструкція такого датчика показана на рис.13.

Рис.13. Конструкція п’єзоелектричного датчику тиску

Р – вимірюваний тиск, 1 – п’єзопластини, 2 – гайка з діелектрику, 3 – електричний вивід, 4 – корпус, що є другим виводом, 5 – ізолятор, 6 – металічний електрод.

Тензорезистивні датчики

Тензорезистивний ефект – зміна електричного опору резистора під впливом розтягування або стиснення. Опір будь-якого дроту залежить від його довжини та зрізу у відповідності до формули:

R = rL/S,

де r - питомий опір металу при заданій довжині та зрізу, L- довжина дроту, S – його зріз. Якщо до цього дроту надати фізичне зусилля, він витягнеться, а його зріз зменшиться. Обидва фактори збільшують опір дроту як резистора. При стисненні ці фактори впливають у зворотному напрямку. Для збільшення впливу тиску дріт вкладають у вигляді багатьох витків на непровідній основі, як це показано на рис.14.

Рис.14 Конструкція тензорезистивного датчика

Для збільшення чутливості тензорезистивний датчик встановлюють як елемент моста, діагональ якого підключається до входів операційного підсилювача, як це показано на рис.15.

Рис.15. Схема використання тензорезистивного датчика

Зміна опору тензорезистивного датчика Rs1 призводить до зміни напруги в діагоналі мосту, яка підключена до протифазних входів операційного підсилювача А1. Тому на виході операційного підсилювача напруга V0 є підсиленим сигналом збільшення або зменшення сигналу тензорезистивного датчика.

Фірма TekscanTechnology виробляє тензодатчики у вигляді тонких плівок, які можна розмістити між будь-якими поверхнями. Опір плівки максимальний при відсутності тиску і зменшується при зростанні тиску. Якщо від плівки зробити декілька відводів, то можна вимірювати профілі тиску. Фірма виробляє також матриці датчиків, які дозволяються досліджувати двомірні профілі тиску. На рис.16 показана схема такого датчика та інтерфейсні пристрої до неї. Такі датчики використовуються, наприклад, для вимірювання тиску у медичних пристроях (протезах, тощо).

Рис.16. Матриця датчиків для двомірних вимірювань тиску

У якості тензорезисторів можуть використовуватись напівпровідникові матеріали, але вони мають більш високу температурну залежність. Якщо у мікросхемі зробити термокомпенсацію, то датчики такого типу можуть працювати як сканери тиску з великою кількістю точок вимірювання і з великою швидкість опитування.