механические величины давления, силы, ускорения, скорости, деформации и т.д.).
При создании механических устройств, являющихся основой робототехники наибольшее применение находят ИП механических величин, таких как ускорения, скорости, силы, моменты, давления и т.д.
10.1 Измерительные преобразователи механических величин
Из-за удобства обработки информации механические величины обычно преобразуются в электрические сигналы [12], при этом используются различные физические эффекты.
Наиболее простыми ИП являются электро-контактные, позволяющие устанавливать границы перемещения элементов механической системы. Они основаны на замыкании или размыкании электрических контактов. Основной проблемой использования таких ИП является снижение надежности при загрязнении или окислении поверхностей контактов. Погрешность срабатывания 1…2мкм.
Для определения величины перемещения наиболее простыми ИП являются реостатные, позволяющие получать информацию как о линейном, так и угловом перемещении. Они основаны на перемещении контактного ползунка по поверхности однорядной намотки проволоки или нанесенного на поверхность резистивного материала. Такие ИП позволяют измерять линейные перемещения до нескольких сотен миллиметров и угол поворота более 360 . Основной проблемой их применения является также низкая надежность скользящего электрического контакта. Точность зависит от шага намотки. Индуктивность реактивное сопротивление) их не велика, что позволяет использовать их до частот 104Гц. Термостойкость зависит от применяемых материалов и может достигать 5х102 К.
Тензорезисторы основаны на изменении сопротивления материалов при их деформации [13]. Они бывают проволочные, фольговые и полупроводниковые. Обычно используется константановая проволока, имеющая высокий коэффициент тензочувствительности и малую величину изменения сопротивления от температуры. Проволока наклеивается на бумажную или пленочную основу, которая в свою очередь приклеивается к месту измерения. В зависимости от основы и применяемых клеев возможно применение при температурах до 800К. Длина датчиков длина петель проволоки от5 до 30мм, а сопротивление в интервале от 50 до 400Ом. Максимально допустимые деформации не превышают 0,3%, однако это
позволяет измерять деформации поверхности стальных изделий в пределах упругости. Закрепленный датчик деформируется вместе с поверхностью, при этом изменяется его сопротивление пропорционально деформации. Зафиксировав деформацию можно по закону Гука, через модуль упругости материала определить напряжения. У полупроводниковых ТР чувствительность в 50…60 раз выше при использовании в диапазоне температур -160…300ºС, но они используются ограничено из-за влияния внешних факторов. Тензорезисторы используются очень широко, благодаря простоте конструкции, простоте установке, компактности и простоте получения и обработке сигнала.
Емкостные преобразователи основаны на изменении емкости конденсаторов при изменении расстояния между пластинами или при сдвиге их относительно друг друга. Достоинством таких преобразователей является высокая чувствительность, простота конструкции, малые размеры и вес, малая инерционность. К недостаткам можно отнести необходимость питания токами высокой частоты, необходимость экранировки, влияние окружающей среды, необходимость коротких измерительных цепей.
Пьезоэлектрические преобразователи основаны на пьезоэффекте,
возникновении на гранях некоторых монокристаллов или поляризованных поликристаллов электрического заряда при приложении к телу нагрузки. Причем возникающий заряд пропорционален нагрузке: Q=dхP, где d – пьезомодуль. Наиболее известным и часто применяемым является кварц, имеющий высокий модуль упругости, малую зависимость пьезомодуля от температуры, высокое сопротивление. На практике измеряют обычно напряжение на гранях кристалла U=Q/C= d P/C, где С – емкость датчика), например, при кварцевом диске диаметром 10мм и толщиной 1мм при силе 10Н и d кварца 2,2х10-12 к/н напряжение составит 7,3В.
Влияние температуры вплоть до 300С не наблюдается, а линейность сохраняется вплоть до разрушения. Искусственные кристаллы сегнетовая соль, дигидрофосфат аммония, титанат бария и т.д.) имеют модуль в сотни раз больший чем у кварца, но они имеют меньшую прочность и их пьезомодуль сильно зависит от температуры. Конструкции пьезодатчиков весьма разнообразны и кристаллы в них могут работать не только на сжатие, но и на изгиб, и на сдвиг. К недостаткам нужно отнести сложность измерения образующегося напряжения, так как требуется малая емкость измерительной цепи и чрезвычайно высокое входное сопротивление измерителя. Пьезоэлектрические датчики находят широкое применение в акселерометрах,
позволяющих измерять ускорения, а при интегрировании сигнала по времени получать информацию и о скорости объекта и пройденном пути.
Электромагнитные преобразователи основаны на изменении индуктивности при перемещении сердечника части сердечника) магнитопровода. Достоинством является возможность измерения, в зависимости от конструкции, как больших до 100мм) так и малых до 1мкм) перемещений. К недостаткам – необходимость питания переменным током стабильной частоты. К конструкциям индуктивных преобразователей можно отнести и трансформаторные преобразователи, которые могут обеспечить достаточную мощность сигнала без применения усилительных устройств.
Магнитоупругие преобразователи основаны на изменении магнитной проницаемости некоторых ферромагнитных материалов при их деформации
[14].
Такая зависимость вообще не линейна, но можно выбрать определенный участок характеристики, приближенный к линейному. Они могут быть построены как по дроссельному принципу, так и по трансформаторному.
Если силы изменяются медленно квазистатические измерения, например, весы) то питание осуществляется током промышленной частоты 50Гц. Чувствительность достигает 5…10 мВ/кгс, но напряжения в материале датчика не должно превышать 500кгс/см2.
Достоинством датчиков является высокая жесткость, простота конструкции, возможность применения при больших нагрузках до 100т и более).
В настоящее время исследуются и другие физические принципы преобразования силовых нагрузок в электрические сигналы. Так, например, развивается целая область свето-волоконных датчиков сил и перемещений [15]. Все более широкое применение находят лазерные датчики для измерения перемещений.
Конструктивно датчики могут быть очень разнообразны, существуют тысячи патентов на конструкции динамометров, использующих различные физические эффекты. В робототехнике применяют многокомпонентные динамометры разнообразных конструкций.
10.2 Измерительные преобразователи температуры
Измерение температур в автоматизированной технике и мехатронике применяется в устройствах стабилизации температуры, предохранения от перегрева, устройствах компенсации тепловых деформаций точных механизмов.
Температура— физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какоголибо тела или вещества. Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения и т.д.). Методы измерения разделяют на две группы: бесконтактные и контактные
[16].
Бесконтактные методы измерения температуры используют тепловое излучение, имеющее место в любых телах при любых температурах. При этом нет необходимости в механическом контакте датчика и измеряемой среды. Приборы, основанные на таком принципе, называются пирометрами. Более широко распространены контактные методы измерения температуры, требующие непосредственного контакта датчика со средой измерения. Здесь, по принципу действия приборы для измерения температуры подразделяются на следующие группы:
биметаллические и дилатометрические, использующие свойство теплового расширения твердых тел;
манометрические, использующие зависимость между температурой и давлением газа, жидкости или пара в замкнутом объеме;
термометры сопротивления, использующие зависимость электрического сопротивления вещества от его температуры;
термоэлектрические, действие которых основано на измерении термоЭДС, создаваемой термопарой из двух разнородных проводников.
Биметаллические и дилатометрические датчики. Данные типы датчиков широко применяются в системах контроля и регулирования температуры воздуха, жидкостей и газообразных сред. В основу построения датчиков положено упругое изменение линейных размеров рабочего тела при изменении температуры дилатометрический эффект). Перемещение свободного конца рабочего тела относительно закрепленного преобразуется в выходной сигнал с помощью любого преобразователя перемещений. Наиболее часто для этих целей используются электрические контакты.
Термометры расширения
Дилатометрические термометры основаны на измерении разности удлинения двух стержней, изготовленных из материала с различным коэффициентом линейного расширения.
Жидкостно-стеклянные термометры используют в широком диапазоне температур, в зависимости от коэффициента линейного расширения, температуры кипения и давления насыщенных паров рабочей жидкости. Заполнение ртутного термометра азотом высокого давления дает возможность существенно расширить почти в два раза) верхний предел
измерения температуры. Диапазоны работы жидкостно-стеклянных термометров: ртуть −35 …+350ºС (+750), этиловый спирт −80… +70 ºС, пентан −200… +20 ºС.
В биметаллических датчиках в качестве чувствительного элемента используется пластинка или спираль, состоящая из двух, сваренных по всей длине, металлических пластин с разными коэффициентами температурного линейного расширения. При нагревании пластинки она изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом температурного расширения, и замыкают или размыкают электрические контакты. Для более резкого срабатывания контактов в этих датчиках применяют постоянные магниты, которые притягивают пластинку сразу после того, как при определенной температуре она достигнет заданной степени деформации. Биметаллические датчики температуры широко используются в системах управления температурой воздуха и воды. Также они применяются в качестве сигнализаторов аварийной температуры в системах охлаждения всех двигателей внутреннего сгорания.
Манометрические датчики температуры. Принцип действия манометрических термометров основан на свойстве жидкостей и газов изменять объем при нагревании или охлаждении. На этом принципе созданы простые, надежные в эксплуатации датчики, нечувствительные к внешним магнитным полям, позволяющие измерять температуру различных сред дистанционно, без использования источников дополнительной энергии
Термометры сопротивления. Принцип действия термометров сопротивления (терморезисторов) основан на зависимости электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры. Термометр сопротивления состоит из катушки, включенной в измерительную цепь. Катушка обычно помещается в защитную трубку. Время реакции такого датчика на изменение температуры достаточно велико, часто порядка нескольких секунд, так как нет хорошего теплового контакта между катушкой и средой, температуру которой необходимо измерить. Металлами, которые применяются для изготовления катушек термосопротивлений, являются платина, никель, медь. Платина имеет почти линейную зависимость сопротивления от температуры, дает хорошую воспроизводимость, стабильность и обеспечивает точность ±0.5% в диапазоне температур (- 200...850°С). Она относительно инертна и может использоваться в широком диапазоне условий без ухудшения характеристик, но она более дорогая, чем многие другие металлы. В последнее время в системах автоматики широкое распространение получили полупроводниковые термосопротивления терморезисторы), температурный коэффициент которых на порядок выше, чем у металлов. Кроме этого полупроводниковые терморезисторы имеют значительно меньшие размеры, чем проволочные, и, соответственно, значительно меньшую тепловую инерционность. При