ДАТЧИКИ СИЛЫ, МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ПРИКОСНОВЕНИЯ

В системе СИ основными единицами счи­таются масса, длина и время, в то время как сила и ускорение – производными единицами. В Британской и американской системах единиц основными единицами счи­таются сила, длина и время. Единица измерения силы является одной из фундаменталь­ных физических величин. Измерение сил проводится и при проведении меха­нических исследований, и в гражданском строительстве, и при взвешивании объектов, и при изготовлении протезов и т.д. При определении давления также требуется измерение силы. Считается, что при работе с твердыми объектами измеряется сила, а при работе с жидкостями и газами определяется давление. Это значит, что сила рассматривается тогда, когда действие приложено к конк­ретной точке, а давление определяется тогда, когда сила распределена по срав­нительно большой площади.

Датчики силы можно разделить на два класса: количественные и качествен­ные. Количественные датчики измеряют силу и представляют ее значение в элек­трических единицах. Примерами таких датчиков являются динамометрические элементы и тензодатчики. Качественные датчики - это пороговые устройства, чья функция заключается не в количественном определении значения силы, а в де­тектировании превышения заданного уровня приложенной силы. Примером та­ких устройств является клавиатура компьютера, каждая клавиша которой замыкает соответствующий контакт только при нажатии на нее с определенной силой. Качественные датчики часто используются для детектирования движения и по­ложения объектов. Коврик у двери, реагирующий на давление, при­ложенное к нему, и пьезоэлектрический кабель также являются примерами каче­ственных датчиков давления.

Методы измерения силы можно разделить на следующие группы:

1. Уравновешивание неизвестной силы силой тяжести тела известной массы

2. Измерение ускорения тела известной массы, к которому приложена неизвес­тная сила

3. Уравновешивание неизвестной силы электромагнитной силой

4. Преобразование силы в давление жидкости и измерение этого давления

5. Измерение деформации упругого элемента системы, вызванной неизвестной силой

В современных датчиках наиболее часто применяется 5 метод, а методы 3 и 4 используются сравнительно редко.

В большинстве датчиков не происходит прямого преобразования силы в элек­трический сигнал. Для этого обычно требуется несколько промежуточных эта­пов. Поэтому, как правило, датчики силы являются составными устройствами. Например, датчик силы часто представляет собой комбинацию преобразователя сила-перемещение и детектора положения (перемещения). Это может быть про­стая спиральная пружина, уменьшение длины которой, вызванное приложен­ной силой сжатия, будет пропорционально ее коэффициенту упругости.

Тензодатчик - это гибкий резистивный чувствительный элемент, сопротивление которого пропорционально приложенному механическому напряжению (вели­чине деформации). Все тензодатчики построены на основе ранее упоминавшегося пьезорезистивного эффекта. Проволочный тензодатчик представляет собой резистор, наклеенный на гиб­кую подложку, которая в свою очередь прикрепляется на объект, где измеряется сила или напряжение. При этом должна обеспечиваться надежная механическая связь между объектом и тензочувствительным элементом, в то время как провод резистора должен быть электрически изолирован от объекта. Коэффициенты теп­лового расширения подложки и провода должны быть согласованы. Для получения хорошей чувствительности датчик должен иметь длинные продольные участки и короткие поперечные (рис. 2). Это делается для того, чтобы чувстви­тельность в поперечном направлении не превышала 2% от продольной чувствительности. Для измерения напря­жeний в разных направлениях меняется конфигурация датчиков. Следует отме­тить, что полупроводниковые тензочувствительные эле­менты обладают довольно сильной чувствительностью к изменениям температу­ры, поэтому в интерфейсных схемах или в самих датчиках необходимо предус­матривать цепи температурной компенсации.

Тактильные датчики - это специальный класс преобразователей силы или давле­ния, кото­рые характеризуются небольшой толщиной. Эти датчики полезны в слу­чаях, когда сила или давление измеряются между двумя поверхностями, располо­женными близко друг к другу. Такие датчики часто используются в робототехнике, например, их устанавливают на «пальцы» механических приводов для обеспе­чения обратной связи при контакте с объектом - это напо­минает то, как работа­ют тактильные сенсоры кожи человека. Датчики касания используются в сенсор­ных дисплеях, клавиатурах и других устройствах, где необходимо реагировать на физи­ческое прикосновение. Тактильные датчики широко применяются в биоме­дицине, для опреде­ления прикуса зубов и правильности установки коронок в сто­матологической практике, а также при исследовании давления на ноги человека при ходьбе. Иногда при проведении операций протезирования их устанавливают в искусственные суставы для корректировки положения и т.д. В строительстве и на механических производствах тактильные датчики используются для определе­ния сил, действующих на закрепленные устройства.

Для изготовления тактильных чувствительных элементов используются не­сколько мето­дов. В некоторых из них на поверхности объекта формируется специ­альный тонкий слой из ма­териала, чувствительного к механическим напряжениям. На рис. 3 показан простой тактильный датчик, обеспечиваю­щий функции вклю­че­ния-выключения, со­стоящий из двух листов фольги и прокладки. Внутри про­кладки сде­ланы круглые (или лю­бой другой необходимой формы) отверстия. Один из листов фольги зазем­лен, а второй подсоеди­нен к нагрузочному ре­зистору. Если требуется контро­лировать не­сколько чув­ствительных зон, исполь­зуется мультиплексор. Когда к верхнему про­воднику приклады­вается внешняя сила над отвер­стием в прокладке, он прогибается и соприкаса­ется с ниж­ним проводни­ком, тем самым устанав­ливая с ним электриче­ский контакт, заземляю­щий нагрузочный резистор. При этом выходной сигнал становится равным нулю, что свиде­тельствует о прило­женной силе. Верхний и нижний проводники могут изготавливаться мето­дом тра­фаретной печати проводя­щими чернилами на подложке. Чувствительные зоны таких датчиков определяются ря­дами и колонками проводников, нанесенных чер­нилами. Прикосно­вение в опре­деленному участку чувствительной поверхности приводит к замыканию соответ­ст­вующих ряда и колонки, что по­казывает локализацию приложен­ной силы. Хорошие тактиль­ные датчики получаются на основе пьезоэлектрических пленок, которые используются как в пассивном, так и в активном режимах. Многие тактильные датчики выполняют функции сен­сорных переключателей. В отличие от традиционных переключателей, надежность контактов которых сильно снижается при попадании на них влаги и пыли, пьезоэлектрические ключи, благодаря своему монолитному исполнению, могут работать в неблагоприятных условиях окружающей среды.

Другой разновидностью тактильных датчиков является пьезорезистивный чув­ствительный элемент. Он изготавливается из материалов, чье электрическое сопро­тивление зависит от приложенного механического напряжения или давления. К таким материалам относятся проводящие эластомеры или пасты, чувствительные изменению давления. Проводящие эластомеры изготавливаются из силиконовой резины, полиуретана и других материалов, в состав которых входят проводящие час­тицы или волокна. Например, проводящая резина получается при введении в обыч­ную резину угольного порошка. Принцип действия эластомерных датчиков основан либо на изменении площади контактов при сдавливании эластомера между двумя проводящими пластинами, либо на изменении толщины эластомерного слоя. В зависимости от величины внешней силы, действующей на датчик, меняется площадь контактной зоны между прижимным устройством и эластомером, в резуль­тате чего изменяется электрическое сопротивление.

Более тонкие пьезорезистивные тактильные датчики получаются из полупро­водниковых полимеров, сопротивление которых также зависит от давления. Конст­рукция таких датчиков напоминает мембранный переключатель. По срав­нению с тензодатчиками пьезорезистивные чувствительные элементы обладают бо­лее широким динамическим диапазоном.

Пьезоэлектрические датчики силы

Рассмотренные пьезоэлектрические тактильные датчики не предназначены для проведения точных измерений силы. Однако на основе того же пьезоэлектрического эффекта можно реализовать и прецизионные датчики силы, как активные, так и пассивные. При разработке таких датчиков всегда следует помнить, что пьезоэлектрические устройства не могут измерять стационарные процессы. Это означает, что пьезоэлектрические датчики силы преобразуют изменения силы в пе­ременный электрический сигнал, но при этом они никак не реагируют на постоян­ное значение внешней силы. Поскольку приложенные силы могут изменять некото­рые свойства материалов, при разработке активных датчиков необходимо учитывать всестороннее влияние сигналов возбуждения. На рис. 4 показан вариант активного датчика силы. При проведении количественных измерений при помощи таких дат­чиков следует помнить, что его диапазон измерения зависит от частоты механическо­го резонанса применяемого пьезоэлектрического кристалла. Принцип действия та­ких датчиков основан на том, что при механической нагрузке кварцевых кристаллов определенных срезов, используемых в качестве резонаторов в электронных генера­торах, происходит сдвиг их резонансной частоты.