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. В большинстве бачков поплавок напрямую связан с водопроводным краном, и в зависимости от уровня воды открывает или перекрывает его. Поплавок, по своей сути, является детектором положения поверхности воды. Если уровень воды необходимо не только отслеживать, но и измерять, к поплавку можно подключить преобразователь положения: потенциометрический, магнитный, емкостной или какой-либо иной датчик прямого действия (рис. 7.1 Б). Следует отметить, что гравитационные датчики восприимчивы к различным помехам, источниками которых являются трение и ускорение. Очевидно, что такие датчики не работают в условиях отсутствия гравитационных сил или в условиях переменной гравитации, например, на космических станциях или реактивных самолетах.

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 самых старых, но до сих пор очень популярным детектором положения является ртутный переключатель (рис. 7.3А и 7.3Б), состоящий из непроводящей трубки (часто стеклянной), двух электрических контактов и капли ртути. Когда датчик наклонен относительно вектора гравитационной силы в одну сторону, капля ртути перемещается в противоположном от контактов направлении, переключатель размыкается. Изменение ориентации устройства приводит к тому, что ртуть скатывается в сторону контактов, закорачивая их, переключатель при этом замыкается. Ртутные переключатели применяются в бытовых термостатах, где они монтируются на биметаллической катушке, используемой в качестве чувствительного элемента, реагирующего на изменение окружающей температуры. При повышении или понижении комнатной температуры меняется изгиб катушки, который определяет ориентацию переключателя. Замыкание и размыкание контактов ртутного ключа управляет системами нагрева и охлаждения. Очевидный недостаток такой системы заключается в ее постоянном включении-выключении (на техническом языке — в двухпо-зиционном управлении). Ртутный переключатель является пороговым устройством, меняющим свое состояние в момент, когда угол его поворота превышает заданное значение.

Для более точного определения угловых перемещений применяются более сложные устройства. На рис. 7.3В показано одно из них, называемое электролитическим датчиком наклона. Этот датчик состоит из небольшой, слегка изогнутой стеклянной трубки, частично заполненной электролитом, в которой размещены три электрода: два - на концах, а один - по центру 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. Как только положение трубки перестает быть горизонтальным, пропорционально ее углу наклона меняются и значения сопротивлений. Электроды включаются в мостовую схему, питаемую переменным током.

Электролитические датчики наклона выпускаются несколькими кампаниями (например, The Fredericks Company, Huntingdon Valley PA) для измерения широкого диапазона углов: ±1°...±80°. В зависимости от измеряемого диапазона меняется и степень изогнутости стеклянных трубок.

Еще более точными устройствами для измерения углов наклона являются датчики, реализованные на основе фотодиодной матрицы [1]. Устройства этого типа применяются в строительстве и на механических производствах для определения с высоким разрешением формы сложных объектов. Например, такие детекторы используются для оценки формы дорог и земельных участков, а также контроля равномерности листов стали, что нельзя выполнить традиционными методами. Оптоэлектронный датчик наклона (рис. 7.4А) состоит из светоизлучающего диода (СИД) и спиртового нивелира в форме полусферы, смонтированного на фотодиодной матрице р-n типа. Тень пузырька воздуха в жидкости нивелира проектируется на поверхность фотодиодной матрицы. Если датчик находится в строго горизонтальном положении, тень от пузырька является круглой (рис. 7.4Б), и площади участков тени, попадающих на разные фотодиоды матрицы, будут равны. При наклоне датчика тень от пузырька принимает вид смещенного от центра эллипса (рис. 7.4В), очевидно, что при этом токи на выходах каждого фотодиода будут разными. Наиболее распространенные датчики имеют следующие технические параметры: диаметр СИД — 10 мм; расстояние между СИД и нивелиром — 50 мм, диаметры стеклянной полусферы и пузырька - 17 и 9 мм. Выходные сигналы диодов преобразуются в цифровой код и калибруются при разных углах наклона. Данные калибровки заносятся в специальные таблицы, используемые вычислительными устройствами при обработке полученных значений. Для определения формы объекта оптоэлектронный датчик поочередно помещается в узлы сетки, образованной равномерно нанесенными на поверхности объекта вертикальными и горизонтальными линиями. В результате этой процедуры находятся координаты х и у угла наклона в каждом узле сетки, по которым компьютер восстанавливает форму объекта.

Дата добавления: 2014-01-20