Тензометрический датчик

Тензометрический датчик используется уже много лет и является основным чувствительным элементом для многих типов датчиков, включая датчики давления, датчики нагрузки, датчики крутящего момента, датчики положения и т. д. Принцип работы заключается в следующем: при натягивании полоски проводящего металла она становится тоньше и длиннее, в результате чего сопротивление между ее концами увеличивается. И наоборот, если на полоску действует сила сжатия, она становится шире и короче, при этом ее сопротивление уменьшается. Если действующие нагрузки не превышают предела упругости металлической полоски, ее можно использовать в качестве чувствительного элемента для измерения отклонения и/или силы, при этом величину приложенной силы можно вычислить, измерив сопротивление полоски. В большинстве тензометрических датчиков используется фольга из металла с высоким удельным сопротивлением, наклеенная на подложку. Тензодатчик включается в мост Уитстона как четыре активных датчика (мостовая схема), два датчика (полумостовая схема) и реже как один датчик (четвертьмостовая схема). В случае полумостовой и четвертьмостовой схем мост дополняется прецизионными резисторами. К мостовой схеме подключаются стабилизированный источник постоянного тока и дополнительная электроника, которую можно обнулить в точке измерения. Как только к тензодатчику прикладывается нагрузка, сопротивление изменяется, что приводит к разбалансировке моста Уитстона. В результате на выходе образуется сигнал, величина которого зависит от приложенной нагрузки. Если сопротивления всех четырех резисторов (R1-R4) и напряжение источника питания (V) известны, напряжение на мосте (V моста) можно найти, вычислив напряжение на каждом из делителей напряжения и вычтя одно из другого.

Эффект Холла

Если подать напряжение на полупроводник, находящийся в магнитном поле, силовые линии которого расположены поперечно (под углом 90°) к приложенному напряжению, формируется новое напряжение. Это напряжение перпендикулярно магнитному полю и приложенному напряжению. Причина этого напряжения заключается в том, что магнитное поле отклоняет часть электронов, в результате чего образуется разность потенциалов. Эта разность потенциалов называется напряжением Холла, а явление называется эффектом Холла. Эффект Холла широко используется при разработке различных датчиков. На рисунке показано типовое применение в системе управления двигателем (распределитель зажигания). В данном случае датчик Холла используется для определения положения и частоты вращения коленчатого вала. Элемент Холла расположен напротив постоянного магнита. Между ним и полюсом магнита имеется воздушный зазор, в котором может вращаться ротор. Этот ротор механически связан с коленчатым валом. При вращении коленчатого вала ротор также вращается и проходит через зазор. Как видно на рисунке, на роторе имеются четыре шторки (экраны) и четыре зазора. Если перед элементом Холла расположен зазор, магнитное поле попадает в полупроводниковый элемент и образуется напряжение Холла. Но если перед элементом Холла расположена шторка, магнитное поле экранировано и напряжения Холла не образуется. По количеству изменений напряжения можно определить частоту вращения коленчатого вала. Так как ротор связан с коленчатым валом, положение коленчатого вала можно определить по моменту, когда шторка только начинает закрывать (или открывать) магнитное поле. Существует множество вариантов конструктивного исполнения датчиков Холла, но общий принцип сохраняется.