Рис. 2.21
Миниатюрный ориентационный датчик угла APS544
Устройство представляет собой трехкоординатный магнитометр, сопряженный с трехкоординатным акселерометром. Прибор регистрирует магнитное поле, направленное по любой из трех осей (X, Y, Z). Он выполнен в виде отдельного модуля, в котором используется миниатюрный феррозондовый датчик, схема усиления и обработки сигнала. Результаты измерений выводятся по специальному кабелю в цифровой форме. Для вывода информации используется стандартный интерфейс RS-232.
Прибор размещен в пластмассовом корпусе прямоугольной формы. Максимальные габариты – 19,1×19,1×117 мм, масса – 50 г. Внешний вид этого датчика показан на рис. 6.59.
Ориентационный датчик APS544 предназначен для применения в системах ориентации и навигации различного назначения (в том числе буровых установок и бакенов); для измерения параметров магнитных полей, для аппаратуры слежения за миграцией животных и т. п.
2.7. Тензорезисторы
2.7.1. Тензорезисторы как современное решение для разработчиков-метрологов
Принцип работы тензорезисторов как перспективных радиоэлементов для разработки сложной контрольно-измерительной техники заслуживает внимания. На основе имеющихся примеров сделана попытка теоретического обоснования будущих перспектив для тензорезисторов, работающих в связке в АЦП и другими преобразователями. Практические возможности для разработчиков отечественной электроники велики, что может привести к более широкому использованию тензорезисторов и росту производства отечественных электронных устройств в метрологической отрасли, что очень важно в условиях импортозамещения.
Среди вариантов электронных датчиков различных конструкций, функциональных особенностей и предназначения выделяются приборы, о которых даже сегодня знают не многие.
Речь идет о тензорезисторах. Необходимость использования относительно простых электронных приборов, по своим функциональным особенностям заменяющих целые электронные блоки, привела к появлению нового класса резисторов. Тензорезистор (от лат. tensus – напряженный и лат. resisto – сопротивляюсь) – по сути, это резистор с изменяемым – в зависимости от механической деформации его рабочей поверхности или при деформации других элементов, связанных с данным элементом, – сопротивлением. Таково его «официальное» определение. И если обычный резистор имеет постоянное сопротивление, значение (номинал) которого может иметь незначительные отклонения в условиях различных внешних воздействий, к примеру температуры, то в таком классе элементов, как тензорезисторы, в связи с их конструктивными особенностями изменение сопротивления происходит за счет механического воздействия, деформации восстанавливаемых тонких пленок и (или) проводящих электрический ток дорожек, из которых состоит прибор.
При этом точность метрологических измерений, при необходимости обеспечения высокой точности, получают благодаря применению аналого-цифровых преобразователей напряжения (АЦП) и микросборок преобразователей фаз угла датчиков линейных и угловых перемещений, которые достаточно широко представлены среди современных радиоэлектронных изделий на рынке [4]. Перспективность применения тензорезисторов, которые с разработкой новейших высокоинтегрированных микросхем АЦП получили новые возможности, значительно возросла.
2.7.2. Преимущества тензорезисторов
Самый простой бытовой пример использования тензорезистора можно найти в напольных весах из числа новейших разработок. Если вести речь о весах с цифровым индикатором, то благодаря применению АЦП схемотехника такого устройства не отличается большой сложностью. Принцип работы устройства вкратце таков: без внешних воздействий устройство находится в состоянии ожидания и экономии энергии (автономные элементы питания, дисплей не активен), при механическом воздействии на измерительную площадку (к примеру, после однократного воздействия на нее одной ногой или перемещения весов с установкой в новом месте на горизонтальном основании) формируется импульс запуска, подается питание на измерительный блок АЦП, и, таким образом, сравниваются значения начального сопротивления основного измерительного датчика – тензорезистора и его конечного значения – после того как человек встанет на весы (после того как его вес замерен). Это самая простая примерная иллюстрация работы тензорезистора в бытовых условиях и слаботочных бытовых электронных устройствах.
По небольшой цене таких устройств также, хоть и косвенно, можно рассуждать о себестоимости и «простоте» самого тензорезистора. Все эти факторы: относительная простота в изготовлении, невысокая стоимость и большие перспективы – свидетельствуют тем не менее о больших перспективных возможностях этого класса электронных приборов, тем самым открывая для разработчиков электронной техники и новые возможности.
Разумеется, пример бытового использования тензорезисторов не ограничивается напольными весами и другими бытовыми устройствами, спектр применения тензорезисторов и шире, и перспективнее.
Надо отметить, что еще несколько лет назад старые типы напольных весов вообще делали без тензорезисторов, но с применением последних возросли и точность измерения, и надежность всего устройства, поскольку тензорезистор не имеет механических частей, и таким образом были преодолены недостатки устройств с механическими взаимодействующими элементами датчиков. Предшественниками тензорезисторов в компактных электронных устройствах долгое время являлись переменные резисторы с линейной характеристикой изменения сопротивления, сопряженные с механическим приводом воздействия на площадку для измерений. Дребезг контактов, радио– и электрические помехи, возможное искрообразование и даже дуговой разряд в силовых цепях, относительно инертное время возврата элементов механического датчика в начальную точку, а отсюда и относительно низкая надежность – всего этого удается теперь избежать.
Сегодня одной из пока не решенных технических сложностей остается изготовление тензорезисторов с большими номиналами сопротивлений, поскольку в соответствии с конструктивными особенностями прибора при увеличении сопротивления проводящих дорожек (пленок) неизбежно теряется точность линейного изменения сопротивления такого элемента при внешнем воздействии. И тем не менее даже этот вопрос разработчиками уже решается.
Указанные преимущества позволили оптимизировать способы применения тензорезисторов как надежных и помехозащищенных радиоэлементов в различной силовой аппаратуре. Выше я отметил, что при относительно высоких номиналах сопротивления тензорезистора могут быть потери в точности измерения. Компенсация указанных погрешностей осуществляется с по мощью АЦП и микроконтроллеров, повышает точность измерения в сотни раз, благодаря чему удается задействовать стандартные компоненты в цепях обвязки и приблизить датчики на основе тензорезисторов к оптическим, причем без потери других преимуществ.
В этой связи необходимо разъяснить, что современные оптические датчики в сфере измерений в условиях помехозащищенности превосходят по техническим и, в частности, электрическим характеристикам индуктивные датчики; поэтому в данной книге приведено сравнение тензорезисторов с оптическими датчиками как наиболее точными в отношении измерений (а не со всеми видами датчиков вообще).
В качестве примера уместно рассматривать различные типы преобразователей, в том числе специализированные микросборки-преобразователи RDS-M, Ф020, Ф020.1 и многие другие [2].
Методы обработки сигналов датчиков линейных и угловых перемещений, фаз квадратурного сигнала в код положений (и др.) многократно описаны в литературе, и здесь специально на них останавливаться не будем. Тем не менее отмечаю, что получение цифрового кодового сигнала непосредственно с АЦП (микросхема RDS-M), сопряженного с датчиком-тензорезистором, позволяет не только юстировать подключенный датчик, но и использовать альтернативные алгоритмы вычисления скорости перемещений конструкции (деформации восстанавливаемого датчика – тензорезистора) и даже угла перемещения.
Не менее интересно, как специалисты радиоэлектронной и метрологической отраслей применяют тензорезисторы в экспериментальных исследованиях напряженного состояния конструкций, в качестве преобразователей деформаций в различных измерительных устройствах, преобразователях механической энергии (деформации) в электрический ток, поскольку в электрической цепи такие пассивные компоненты уже выполняют роль датчиков состояний.
В промышленности тензорезистор является составной частью тензодатчиков, широко применяющихся для измерения силы, давления, веса, механических напряжений, перемещения, крутящих моментов, измерения