Пропорциональный датчик силы (момента, давления)
Пропорциональный датчик силы (момента, давления) — это датчик силы (момента, давления) дающий минимум трехбитный (3 уровня силы для определения скорости изменения силы в быстродействующих системах) выходной сигнал, пропорциональный силе (моменту, давлению) на входе.
В разных приложениях необходимо разное число бит выходного сигнала. В силовой (силомоментной) обратной связи число бит выходного сигнала датчика в разы больше, чем в тактильной обратной связи. В силовой (силомоментной) обратной связи датчик силы (момента, давления) не имеет пикселей (одномерный выходной сигнал). В тактильной обратной связи датчик силы (момента, давления) имеет число пикселей от трех до нескольких миллионов (табличный датчик: многомерный выходной сигнал). В тактильной обратной связи датчик силы может определять не только величину силы, но и (иногда) её 3D-вектор.
Содержание |
[править] Датчики по методу получения сигнала
По методу получения сигнала пропорциональные датчики силы делят на:
- датчик на потенциометре с возвратной пружиной
- датчик электромагнитный с возвратной пружиной
- тензодатчик проводниковый. Изменение длины напечатанного в виде длинной спирали проводника, меняет его сопротивление, что дает выходной сигнал.
- тензодатчик проводниковый интерференционный. Работает на принципе сложения частоты опорного генератора и этой же частоты прошедшей через напечатанный в виде спирали проводник. При отсутствии силы в датчике частота опорного генератора и частота прошедшая через растягиваемый проводник настроены в противофазе, давая в выходном сигнале датчика нулевые напряжение, ток. Приложение силы к датчику увеличивает длину проводника, сдвигая фазу частоты на выходе проводника. Сдвиг фазы нарушает режим противофазы, давая в выходном сигнале датчика частоту биений (разностная частота) двух частот. Чем больше сдвиг фазы, тем больше частота биений и сила тока выходного сигнала датчика.
- тензодатчик оптоволоконный. Принцип работы основан на интерференции (сложении волн) опорной частоты монохроматического (одночастотного) лазера и этой же частоты прошедшей через отрезок оптоволокна вклеенного в деталь. Один из торцов отрезка оптоволокна имеет зеркальное покрытие для отражения частоты лазера. При отсутствии силы в датчике, частота опорного генератора и частота прошедшая через растягиваемый отрезок оптоволокна настроены в противофазе, давая в выходном сигнале датчика нулевые напряжение, ток. Приложение силы к датчику увеличивает длину отрезка оптоволокна, сдвигая на его выходе (незеркальный торец оптоволокна) фазу частоты относительно опорной частоты лазера. Сдвиг фазы нарушает режим противофазы, давая в выходном сигнале датчика частоту биений (разностная частота) двух частот. Чем больше сдвиг фазы, тем выше частота биений и больше сила тока фотоэлемента, в котором происходит сложение фаз обоих частот. Чем больше сдвиг фазы, тем больше частота биений и сила тока выходного сигнала фотоэлемента (датчика).
[править] Датчики по сфере применения
Пропорциональный датчик силы (момента, давления) используют в:
- в экспериментальных компьютерных планшетах
- в графических планшетах
- в роботах, в костюмах телеприсутствия, в экзоскелетах в качестве элемента тактильной или силовой (силомоментной) обратной связи.
- в педали газа автомобиля в системе электронной дроссельной заслонки
- в педали тормоза автомобиля в системе электронных тормозов
- в аэродинамических элементах (элероны, элевоны) управления некоторых самолетов для двухсторонней силовой (силомоментной) обратной связи в электродистанционной системе управления самолетом. Эта система передает рукам летчика (через ручки управления самолетом) масштаб сил в аэродинамических элементах самолета.
- в экспериментальных экскаваторах с силовой (силомоментной) обратной связью «ковш — оператор».
Для роботов, костюмов телеприсутствия, костюмов виртуальной реальности и экзоскелетов более всего подходят тензодатчики силы: минимальное перемещение элементов датчика при измерении силы уменьшает задержку управления в системе обратной связи.
[править] Ограничения применения
Применение датчиков силы (момента, давления) ограничено ускорениями (включая угловые ускорения) изделия, в котором их применяют. Если ускорение изделия с датчиками превышает 3g — обычно необходим механизм (рычажный с противовесом) разгрузки от инерционных сил измерительного элемента датчика. Если измеряется непосредственно сила инерции, тогда начиная с ускорения примерно 5g и выше используют датчики ускорения (аксклерометры). Они компактнее, точнее измеряют силу инерции.
