3.2. Сенсоры линейного перемещения

Известным видом механических чувствительных элементов, в которых первичный сигнал появляется в форме линейного перемещения, являются поршни.. 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

Следующим известным механическим чувствительным элементом с линейным перемещением является поплавок.. 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.

Например, 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.

Для измерения плотности жидкостей часто применяют ареометры. Ареометр состоит из полой стеклянной, металлической или пластмассовой капсулы к которой прикреплена тонкая "шейка" со шкалой . Капсулу 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 выступала над поверхностью жидкости. Согласно закону Архимеда условие плавания ареометра имеет вид (формула 3.2):

где – масса ареометра,– ускорение силы тяжести,– плотность жидкости,– объем части ареометра, погруженной в жидкость.

Для определения коэффициентов поверхностного натяжения жидкостей используюткапиллярные трубки, в которых высота поднятия или опускания столбика жидкости h определяется величиной поверхностного натяжения и плотностью жидкости (формула 3.3):

где – диаметр капилляра,– ускорение силы тяжести.

3.3. Сенсоры углового перемещения

Среди сенсоров углового перемещения выделяют 2 группы: сенсоры угла наклона (крена) и сенсоры угла поворот.

Инклинометры

Сенсоры угла наклона называют еще "инклинометрами" (от латинского incline – наклоняю). Чаще всего речь идет об угловом отклонении от вертикали или от горизонтальной плоскости. Уже самые древние строители использовали с этой целью отвесы, ватерпасы, уровни.

На рис. 3.1 показана современная оптоэлектронная конструкция инклинометра, которая обеспечивает возможность измерения одновременно двух углов наклона во взаимно перпендикулярных плоскостях. В корпусе 1 размещены светодиод 2, кремниевый чип 3 со сформированными в нем фотодиодами или фототранзисторами 4 и усилителями, пластиковое полушарие с прозрачной жидкостью 5 и оставленным в ней воздушным пузырьком 6. Этот пузырек, преломляя свет от светодиода 2, создает область тени 7. Когда корпус 1 расположен горизонтально, тень от пузырька одинаково прикрывает все 4 фотодиода. Если корпус немного наклоняется, то воздушный пузырек смещается. Соответственно по поверхности фотодиодов смещается и тень от него (рис. 3.1 справа). И сигналы от фотодиодов становятся разными. Их измерение позволяет точно рассчитать углы наклона относительно двух ортогональных осей. Для этого сенсор еще в процессе производства точно калибруют при нормальной и при крайних рабочих значениях температуры. Данные калибровки заносят в память микропроцессора.

Рис. 3.1.  Конструкция и принцип действия двухкоординатного оптоэлектронного инклинометра