Опубликован: 26.05.2010 | Уровень: специалист | Доступ: платный
Лекция 3:

Механические сенсоры перемещения. Принципы работы глобальной системы ориентирования и сенсоры GPS

3.4. Сенсоры линейного перемещения

Известным видом механических чувствительных элементов, в которых первичный сигнал появляется в форме линейного перемещения, являются поршни. Принцип действия поршня показан на рис. 3.5, а. На одной стороне подвижного поршня в герметически закрытой части цилиндра находится газ, а с другой стороны – среда, в которой измеряется давление. Это может быть тоже газ или жидкость. Когда измеряемое давление возрастает, подвижный поршень перемещается, сжимая газ в закрытой части цилиндра до тех пор, пока его давление не уравняется с внешним. Когда измеряемое давление уменьшается, то поршень перемещается в противоположном направлении до достижения нового состояния равновесия. А движение поршня приводит в действие механизм отсчета давления. На рис. 3.5, б показан один из поршневых манометров, в котором движение поршня механически превращается в поворот стрелки. Связь поршня с узлом отсчета не обязательно должна быть механической, а может быть, например, магнитной или оптической. На рис. 3.5, в показан пример другого поршневого сенсора, предназначенного для контроля и регулирования потока жидкости. В нем подвижный поршень с одной стороны контактирует с жидкостью, поток которой измеряется, а с другой стороны прикреплен к пружине. Если жидкость течет, то по известному закону Бернулли давление в ней уменьшается, что вынуждает поршень несколько смещаться в сторону жидкости. Смещение это тем значительней, чем быстрее поток жидкости. Когда поток жидкости уменьшается, пружина оттягивает поршень назад. Линейные перемещения поршня фиксируются в данном случае с помощью небольшого магнита и датчиков Холла. Сенсор нечувствителен к загрязнениям и к вязкости жидкости. Он может измерять поток жидкости (воды, масла, керосина и т.п.) в диапазоне от 0,4 л/мин до 60 л/мин с точностью до 3%. Небольшая электронная схема, герметически отделенная от гидравлического узла, обеспечивает быструю реакцию на изменения скорости потока. Имеется возможность выдачи аналогового сигнала и сигналов выхода измеренных значений потока за установленные пользователем пределы, отображения величины потока на светодиодном индикаторе.

Поршневые сенсоры

Рис. 3.5. Поршневые сенсоры

Следующим известным механическим чувствительным элементом с линейным перемещением является поплавок. Это один из древнейших видов сенсоров – такой же древний, как ловля рыбы на удочку, когда поплавок используют в качестве сенсора клёва рыбы. В датчиках уровня жидкости используют тот факт, что поплавок перемещается вместе с перемещением поверхности жидкости. А его перемещения могут быть разными способами преобразованы в электрические, визуальные или другие виды сигналов. На рис. 3.6, а например, показан поплавок 1, жестко связанный с подвижной трубкой. При поднятии уровня жидкости, поплавок всплывает, и вместе с ним поднимается трубка. Ее верхний конец виден сквозь прозрачное окошко 2 со шкалой, установленное над резервуаром. В сенсоре, показанном на рис. 3.6, б, поплавок 1 может свободно перемещаться вдоль трубки 3, отслеживая уровень жидкости в резервуаре. Принцип преобразования линейного перемещения поплавка в электрический сигнал раскрывается на рис. 3.6, в, г. Внутри трубки 3 размещена плата с резисторами, последовательно включенными в электрическую цепь, и микропереключателями, которые приводятся в действие магнитным полем.

Поплавковые сенсоры: а – с визуальным отображением; б – с электрическим считыванием; в – электрическая схема; г – внутренняя конструкция; д – с механическим замыканием; е – ареометр

Рис. 3.6. Поплавковые сенсоры: а – с визуальным отображением; б – с электрическим считыванием; в – электрическая схема; г – внутренняя конструкция; д – с механическим замыканием; е – ареометр

Небольшие постоянные магниты размещены в теле поплавка. В каждый момент срабатывает лишь тот переключатель, который располагается внутри поплавка и поэтому подвержен действию магнитов. Сопротивление электрической цепи прямо зависит от местоположения поплавка и, следовательно, – от уровня жидкости.

Еще одна конструкция поплавкового сенсора показана на рис. 3.6, д. Здесь поплавок жестко прикреплен к одному концу трубки, противоположный конец которой закреплен на оси. При повышении уровня жидкости и всплывании поплавка, трубка поворачивается вокруг оси и при некотором уровне жидкости замыкает электрический контакт или перекрывает отверстие, через которое течет жидкость.

Для измерения плотности жидкостей часто применяют ареометры. Ареометр состоит из полой стеклянной, металлической или пластмассовой капсулы 4 ( рис. 3.6, е ), к которой прикреплена тонкая "шейка" со шкалой 5. Капсулу 4 заполняют дробью с таким расчетом, чтобы капсула была полностью погружена в контролируемую жидкость, но не тонула в ней, а плавала, и часть шейки со шкалой 5 выступала над поверхностью жидкости. Согласно закону Архимеда условие плавания ареометра имеет вид:

mg=\rho gV, ( 3.1)
где m – масса ареометра, g – ускорение силы тяжести, \rho – плотность жидкости, V – объем части ареометра, погруженной в жидкость. Пусть при некоторой "стандартной" плотности жидкости \rho_0 ареометр плавает в ней, будучи погружен до соответствующей отметки на шкале. Если плотность жидкости будет больше, то объём части ареометра, погруженной в жидкость, уменьшится, и ареометр слегка всплывет – тем больше, чем больше плотность жидкости и чем меньше площадь поперечного сечения "шейки" 5. Если же плотность жидкости уменьшится, то ареометр погрузится в неё глубже. Таким образом, глубина погружения ареометра в жидкость однозначно зависит от её плотности. И вертикальное перемещение шейки ареометра относительно поверхности жидкости является сигналом изменения плотности жидкости. На этом принципе построены и широко применяются

  • спиртомеры – ареометры для определения объёмного содержания спирта в воде или воды в спирте;
  • сахаромеры – ареометры для определения содержания сахара в сиропе;
  • солемеры – ареометры для определения содержания соли в рассоле;
  • кислотомеры – ареометры для определения содержания кислот в растворе;
  • ареометры для определения плотности молока, морской воды, нефти и нефтепродуктов, электролитов и т. д.

Для определения коэффициентов поверхностного натяжения жидкостей \sigma используют капиллярные трубки, в которых высота поднятия или опускания столбика жидкости h определяется величиной поверхностного натяжения и плотностью \rho жидкости:

h=4\sigma/(d\rho g), ( 3.2)
где dдиаметр капилляра, g – ускорение силы тяжести.

Примером чувствительных элементов, в которых первичные сигналы появляются в виде линейного перемещения, служат также жидкости в сообщающихся сосудах. Одним из примеров является широко известный ртутный барометрсенсор атмосферного давления, устройство и принцип действия которого Вы, несомненно, проходили в школе. Еще один пример чувствительного элемента с линейным перемещением – подвижная игла "звукоснимателей", которая до середины прошлого века широко применялась для "считывания" речи, пения, музыки, записанных на распространенных тогда граммофонных пластинках.

Ринат Гатауллин
Ринат Гатауллин
Россия
Николай Кириллов
Николай Кириллов
Россия, Томск, Томский государственный университет, 1993