Пропорциональный датчик силы (момента, давления)

Пропорциональный датчик силы (момента, давления) — датчик силы (момента, давления) дающий минимум двухбитный (4 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.

Датчики по методу получения сигнала[править]

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 выходной сигнал. Чем больше сдвиг фазы, тем больше выходной сигнал.
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 выходной сигнал. Чем больше сдвиг фазы, тем больше выходной сигнал и сила тока в фотоэлементе, в котором происходит сложение фаз обоих частот.

Датчики по сфере применения[править]

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.

Ограничения применения[править]

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.