Гравитационные датчики

К хорошо известным гравитационным детекторам уровня относятся датчики, ис­пользуемые в туалетных бачках. Главным элементом таких преобразователей яв­ляется поплавок - устройство, обладающее меньшей, чем у воды плотностью. Поплавок напрямую связан с водопроводным краном и открывает или перекрывает его. Поплавок, по своей сути, является детектором положения поверхности воды. Если уровень воды необходимо измерять, к поплавку можно подключить преобразователь положения: потенциометрический, магнитный, емкостной или какой-либо иной датчик прямого действия (рис. 1Б).

Уровнемеры, определяющие угол наклона объекта относительно направления к центру тяжести Земли, используются при строительстве дорог, в инерционных навигационных системах, в механических станках и других устройствах. Одним из детекторов положения являет­ся ртутный переключатель, состоящий из непроводящей трубки, двух электрических контактов и капли ртути (рис. 2). Когда датчик наклонен относительно вектора гравитационной силы в одну сторону, капля рту­ти перемещается в противоположном от контактов направлении, переключатель размыкается.

Для более точного определения угловых перемещений применяются электролитические датчики наклона и дат­чики, реализованные на основе фотодиодной матрицы. Первые состоят из небольшой, слегка изогнутой стеклянной трубки, частично заполненной электролитом, в которой размещены три электрода: два - на концах, а один - по центру (рис. 2В). Находящийся внутри трубки воздушный пузырь перемещается вдоль нее при ее наклоне в ту или другую сторону. В зависимости от расположения пузыря меняются электрические сопротивления между центральным и боковыми электродами.

Емкостные датчики

Принцип дейст­вия таких датчиков основы­вает­ся либо на измене­нии геометрии конденса­тора (рас­стояния между пласти­нами), либо на измене­нии емкости за счет размещения между пла­стинами различ­ных ма­териа­лов. Изменения емкости, как правило, преобразуются в переменный электрический сигнал. Емкостные датчики могут быть однополярными (в их состав входит только один конденсатор), дифферен­циальными (в их состав входят два конденсатора) или мостовыми (здесь уже ис­пользуются четыре конденсатора). В случае дифференциальных или мостовых датчиков, один или два конденсатора являются либо постоянными, либо пере­менными, включенными навстречу друг другу.

В примере, показанном на рис. 4, рассматриваются три пластины одинако­вой площади А. Эти пластины формируют два конденсатора С₁ и С₂. На две край­ние пластины подаются синусоидальные сигналы одинаковой амплитуды, но с разностью фаз, равной 180°. Поскольку оба конденсатора являются одинаковы­ми, токи через них взаимно уничтожают друг друга, и потенциал центральной пла­стины практически равен нулю (А). Теперь рассмотрим ситуацию, когда центральная пластина сместилась вниз на расстояние х (Б). Это приведет к изменению емкостей конденсаторов С₁ и С₂:

При этом амплитуда сигнала на центральной пластине будет пропорциональна величине перемещения х, а фаза - направлению движения. Амплитуду выходно­го сигнала можно найти из выражения:

При выполнении условия х<<x₀ вы­ходное напряжение практически ли­нейно зависит от перемещения. Вто­рой член суммы соответствует исход­ному рассогласованию двух конден­саторов и является основной причи­ной возникновения напряжения сме­щения выходного сигнала.

В последние годы популярными стали мостовые дат­чики, со­стоящие из двух групп плоских электродов – подвиж­ной и стацио­нарной, расположен­ных парал­лельно на фиксирован­ном расстоянии. На рис. 5А показан линейный мостовой датчик перемещений, состоящий из двух групп плоских электродов, расположенных параллельно на фиксированном расстоянии d. Все шесть электродов имеют одинаковые размеры (Lxb). Четыре электрода стационарной группы перекрестно соединены друг с дру­гом электрическими проводами, что делается для формирования емкос­тной схемы мостового типа. На мостовую схему подается си­нусоидальное напряжение с часто­той 5...50 кГц. Дифференциальный усилитель усиливает разность на­пряжений между парой электродов в подвижной группе. Выходной сиг­нал усилителя поступает на вход синхронного детектора. Емкость конденсатора, сформированного двумя параллельными пластинами, расположенными на фиксирован­ном расстоянии друг от друга, про­порциональна площади части подвижной пластины, расположенной напротив со­ответствующей области стационарной пластины. На рис. 5Б показана эквива­лентная схема датчика перемещений с конфигурацией емкостного моста. Нарушение симметричности расположения пластин приводит к разбалансу моста и появлению сигнала на выходе дифференциального усилителя. Емкостная мостовая схема обладает все­ми достоинствами, присущими любой мостовой схеме: линейностью и высокой помехозащищенностью. Подобные датчики могут быть реализованы не только с плоскими электродами. Такой метод построения датчиков применим к любым симметричным конфигурациям (например, для построения детекторов враща­тельного движения).