|
|
|
ТАКТИЛЬНЫЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫЭлектроды из PVDF пленки могут быть сформированы в виде ячеек либо на передающей, либо на приемной стороне. Применение мультиплексирования при подключении ячеек позволяет распознавать зоны приложения внешней силы. Такой датчик также может использоваться для измерения небольших перемещений. При определении перемещений в несколько миллиметров его точность составляет ±2 мкм. Простота конструкции делает такие переключатели привлекательными для использования в различных промышленных счетчиках, в системах автоматизации технологических процессов, в разливочных аппаратах и т.д., но самое широкое распространение они получили в игровых автоматах для игры в пинбол. На рис. 9.6Б отображено устройство еще одного пьезоэлектрического выключателя консольного типа, в котором PVDF пленка размещается между двух подложек разной толщины. Такая конструкция обеспечивает очень сильное растяжение пьезопленки при отклонении балки от нейтральной оси вверх и сильное ее сжатие при отклонении балки в противоположном направлении. Рассматриваемые пьезоэлектрические выключатели нашли свое применение в счетчиках потребления газа и электроэнергии. Для таких переключателей не требуются внешние источники питания, поэтому газовым счетчикам на их основе не страшны проскоки искр. Пьезоэлектрические ключи балочного типа часто монтируются в обод баскетбольной корзины для определения попадания в нее мяча. Такие переключатели также встраиваются в мягкие куклы для детектирования поцелуя в щечку или щекотания каких-либо ее частей, в торговые 
Рис. 9.6. А — переключатель на основе PVDF пленки,
используемый в игровых пинбол-автоматах, Б — переключатель балочного типа, В — детектор
обрыва нити [6], Г — тактильный датчик на основе PVDF пленки
или игровые автоматы для их запуска при обнаружении
опущенной монеты, в цифровые потенциометры для повышения надежности.
Тактильные элементы на основе пьезоэлектрических пленок
способны работать в широких частотных и динамических диапазонах и поэтому часто
используются в электронных музыкальных инструментах. к примеру, они встраиваются
в педальные переключатели больших и малых барабанов, в переключатели тамтамов,
а также в клавиши электропианино. Пьезоэлектрические пленочные сенсоры
реагируют на силу, с той барабанщик давит на педаль или пианист нажимает на
клавишу. В электропианино встроенные в клавиши пьезоэлементы обеспечивают
динамический диапазон и длительность звучания нот в строгом соответствии с
ходом клавиши.
На текстильных заводах требуется проводить непрерывный
мониторинг нескольких тысяч нитей на обрыв. Необнаруженный вовремя обрыв может
привести к порче большого куска ткани, поскольку стоимость работ по реставрации
материала часто превышает стоимость ее производства. Традиционные сенсоры,
определяющие обрыв нити по замыканию контактов, не очень надежны, поскольку пух
загрязняет контактные площадки и не дает возможности обнаруживать разрыв нити. Тактильные датчики — это специальный класс преобразователей
силы или давления, которые характеризуются небольшой толщиной. Эти датчики
полезны в случаях, когда сила или давление измеряются между двумя
поверхностями, расположенными близко друг к другу. Такие датчики часто
используются в робототехнике, к примеру, их устанавливают на «пальцы»
механических приводов для обеспечения обратной связи при контакте с объектом — это
напоминает то, как работают тактильные сенсоры кожи человека. Датчики касания
используются в сенсорных дисплеях, клавиатурах и других устройствах, где
необходимо реагировать на физическое прикосновение. Тактильные датчики широко
применяются в биомедицине, для определения прикуса зубов и правильности
установки коронок в стоматологической практике, а также при исследовании
давления на ноги человека при ходьбе. Иногда при проведении операций
протезирования их устанавливают в искусственные суставы для корректировки
положения и т.д. В строительстве и на механических производствах тактильные
датчики используются для определения сил, действующих на закрепленные
устройства.
Для изготовления тактильных чувствительных элементов
используются несколько методов. В некоторых из них на поверхности объекта
формируется специальный тонкий слой из материала, чувственного к
механическим напряжениям. На рис. 9.3 отображен простой тактильный датчик,
обеспечивающий функции включения-выключения, состоящий из двух листов фольги и
прокладки. Внутри прокладки сделаны круглые (или любой другой необходимой
формы) отверстия. Один из листов фольги заземлен, а второй подсоединен к
нагрузочному резистору. Если требуется контролировать несколько чувствительных
зон, используется мультиплексор. Когда к верхнему проводнику прикладывается
внешняя сила над отверстием в прокладке, он прогибается и соприкасается с
нижним проводником, тем самым устанавливая с ним электрический контакт,
заземляющий нагрузочный резистор. При этом выходной сигнал становится равным
нулю, что свидетельствует о приложенной силе. Верхний и нижний проводники могут
изготавливаться методом трафаретной печати проводящими чернилами на подложке из
таких материалов, как Mylar® или полипропилен. чувствительные зоны таких
сенсоров определяются рядами и колонками проводников, нанесенных чернилами. Прикосновение
в определенному участку чувствительной поверхности приводит к замыканию
соответствующих ряда и колонки, что показывает локализацию приложенной силы.
Рис. 9.3. Тактильный чувствительный элемент мембранного типа
Хорошие тактильные датчики получаются на основе пьезоэлектрических пленок, к примеру, из поливинилиден фторида (PVDF), которые используются как в пассивном, так и в активном режимах. На рис. 9.4 отображен активный ультразвуковой пьезоэлектрический тактильный датчик, состоящий из трех слоев пленок, соединенных вместе (в датчике существуют еще дополнительные защитные слои, не отображенные на рисунке). Верхний и нижний слои изготовлены из PVDF пленок, а центральный слой обеспечивает акустическую связь между крайними слоями. Механические характеристики центральной пленки определяют чувствительность и рабочий диапазон датчика. На нижний пьезоэлектрический слой подается переменное напряжение от генератора. Эти колебания заставляют периодически сжиматься и пленку из PVDF, и промежуточный компрессионный слой, и верхнюю пленку из PVDF, играющую роль приемника. Поскольку пьезоэлектричество является обратимым явлением, с верхней пленки снимается переменное напряжение, то усиливается и выпрямляется на синхронном демодуляторе, реагирующем как на амплитуду, так и на фазу поступающего сигнала. Когда к верхнему слою прикладывается внешняя сила F, механические характеристики трехслойной структуры изменяются, что отражается на фазе и амплитуде выходного сигнала. 
Рис. 9.4. Активный пьезоэлектрический тактильный датчик
В определенных пределах выходной сигнал тактильного датчика линейно зависит от приложенной силы. Если толщина пленок из PVDF составляет 25 мкм, а толщина компрессионной пленки из силиконовой резины — 40 мкм, толщина всего чувственного элемента (включая защитные слои) не превышает 200 мкм. Вибрационный датчик на основе пьезоэлектрической пленки, встроенный в тонкую стальную балку, отслеживает акустический сигнал, возникающий от трения нити при ее прохождении над балкой (рис. 9.6В). Отсутствие характерных вибраций приводит к немедленной остановке ткацкого станка. На рис. 9.7 отображен датчик на основе PVDF пленки, используемый для контроля за частотой дыхания спящего малыша. При этом детектируются малейшие движения тела, возникающие при вдохе и выдохе, что необходимо для обнаружения внезапной остановки дыхания [7]. Датчик размещается под матрасом кроватки. Тело нормально дышащего малыша из-за подъема и опускания диафрагмы при дыхании совершает небольшие колебательные движения, что вызывает смещение его центра тяжести. Именно это смещение и контролируется датчиком. Датчик состоит из трех слоев: PVDF пленка расположена между подложкой из силиконовой резины и прижимного слоя из пластика, к примеру, такого как Milar. Сторона прижимного слоя, направленная к PVDF пленке, имеет гофрированную поверхность. Под действием переменной силы тяжести в PVDF слое возникает электрический заряд, поступающий на вход преобразователя ток-напряжение, с выхода того снимается переменный выходной сигнал с амплитудой, пропорциональной в определенном диапазоне приложенной силе. 
Рис. 9.7. Пьезоэлектрический датчик для контроля за дыханием
Другой разновидностью тактильных сенсоров является
пьезорезистивныи чувствительный элемент. Он изготавливается из материалов, чье
электрическое сопротивление зависит от приложенного механического напряжения
или давления [8]. К таким материалам относятся проводящие эластомеры или пасты,
чувствительные к изменению давления. Проводящие эластомеры изготавливаются из
силиконовой резины, полиуретана и других материалов, в состав которых входят проводящие
частицы или волокна. к примеру, проводящая резина получается при введении в
обычную резину угольного порошка. Принцип действия эластомерных сенсоров
основан либо на изменении площади контактов при сдавливании эластомера между
двумя проводящими пластинами (рис. 9.8А), либо на изменении толщины
эластомерного слоя. В зависимости от величины внешней силы, действующей на
датчик, меняется площадь контактной зоны между прижимным устройством и
эластомером, в результате чего изменяется электрическое сопротивление. При
определенном давлении эта площадь становится максимально возможной, и
передаточная функция входит в режим насыщения (рис. 9.9Б).
Однако рекомендуется отметить, что значения сопротивления может
значительно дрейфовать, когда полимер подвергается действию давления длительное
время. Поэтому такие пьезорезистивные датчики применяются, как правило, для
качественных, а не количественных измерений.
Рис. 9.8. Пьезорезистивныи тактильный датчик А — с
изменяемой площадью контактов, Б — его передаточная функция
Более тонкие пьезорезистивные тактильные датчики получаются
из полупроводниковых полимеров, сопротивление которых также зависит от
давления. Конструкция таких сенсоров напоминает мембранный переключатель (рис. Достоинства данного датчика — простота и выходной сигнал в виде постоянного
напряжения (т.е. способность детектировать статические силы)
На рис. 9.5А отображен еще один вариант пьезоэлектрического
тактильного датчика, в котором полоски из PVDF пленки встраиваются в слой
резины на поверхности преобразователя. Такой датчик является пассивным устройством,
поскольку для генерации выходного сигнала ему не требуется дополнительного
возбуждения, поэтому он реагирует, в основном, на частоту механических
воздействий, а не на их амплитуду. Конструкция данного датчика разработана для
применения в робототехнике для отслеживания неровностей исследуемой
поверхности. Поскольку здесь чувствительный элемент встроен в поверхностный
слой, его выходной сигнал соответствует перемещениям этого слоя, возникающим
из-за действия сил трения.
Датчик встраивается в жесткую конструкцию («палец» робота),
имеющую пористый упругий внутренний слой (1 мм толщиной), на который наносится
слой из силиконовой резины («кожа»). Иногда между этими слоями располагается
вспомогательная жидкостная прослойка. Поскольку полоски из пьезоэлектрической
пленки располагаются на нетой глубине от поверхности «кожи», а их
чувствительность зависит от их ориентации, величина сигнала определяется
направлением перемещения «пальца». На рис. 9.5Б отображен биполярный выходной
сигнал такого датчика, способного отслеживать неоднородности поверхности
высотой порядка 50 мкм.
Рис. 9.5. Тактильный датчик на основе пьезоэлектрической
пленки для детектирования сил скольжения А — поперечное сечение, Б — выходной
сигнал.
Приведем еще несколько примеров сенсоров на основе PVDF и
других полимерных пленок. Многие тактильные датчики выполняют функции сенсорных
переключателей. В отличие от традиционных переключателей, надежность контактов
которых сильно снижается при попадании на них влаги и пыли,
пьезоэлектрические ключи, благодаря своему монолитному
исполнению, могут работать в неблагоприятных условиях окружающей среды. Один из
вариантов таких переключателей состоит из стальной консольной балки, на которую
нанесен слой пьезоэлектрической пленки. Балка одним концом прикреплена к плате
схемы (рис. 9.6А), на входе той стоит ключ на основе полевого МОП
транзистора, не потребляющего энергию в нормально открытом состоянии. Как
только к балке будет приложено механическое усилие, напряжение, возникшее на
пленке, мгновенно переключит МОП ключ, и на его выходе появится высокий уровень
сигнала. Такой сенсорный переключатель не подвержен ни коррозии, ни выгоранию,
у него нет дребезга контактов, обычно присущих традиционным механическим
переключателям. Он выдерживает до 10 миллионов циклов безаварийной работы. 9.9) [9]. По сравнению с тензодатчиками пьезорезистивные чувствительные
элементы обладают более широким динамическим диапазоном: типовое изменение
сопротивления составляет три порядка при изменении силы в интервале 0...3 кг,
но более низкой точностью (обычно ±10%).
Однако в тех случаях, когда не требуется точное измерение
силы, а решающим является стоимость датчика, применение таких детекторов
является оправданным. Толщина типовых пьезорезистивных полимерных сенсоров
обычно составляет 0.25 мм, но возможно изготовление и более тонких структур.
В робототехнике требуются тактильные микросенсоры,
обладающие хорошим пространственным разрешением, высокой чувствительностью и
широким динамическим диапазоном. Принцип действия порогового тактильного
детектора с механическим гистерезисом может быть основан на использовании
пластической деформации кремниевой мембраны [10]. На рис. 9.10 отображено
интегральное исполнение кремниевого тактильного микропереключателя, состоящего
из герметичной полости, сформированной внутри кремниевой подложки, плотно
закрытой тонкой мембраной. При отсутствии внешних сил за счет расширения газа,
находящегося внутри полости, мембрана образует выпуклый купол. При нормальной
температуре и приложенной силе, превышающей критическое значение, верхний
электрод прогибается вниз, контактируя с нижним электродом.
Исследования показали, что такой ключ замыкается при
давлении порядка 13 psi (фунт на квадратный дюйм), а его гистерезис равен 2
psi. Сопротивление ключа в разомкнутом состоянии составляет 10 кОм, что
приемлемо для маломощных схем.
На рис. 9.11 отображен еще один вариант тактильного
микропереключателя [11], в котором вместо газа, находящегося под давлением,
применяется вакуум. Здесь вакуумная микрокамера находится между холодным
катодом и подвижным анодом в виде диафрагмы. Когда между анодом и кремниевым
выступом на катоде появляются положительная разность потенциалов, формируется
электрическое поле. Если напряженность поля превышает значение 5х107 В/см,
электроны совершают туннельный переход с катода в вакуумную камеру. Сила поля,
а, следовательно, количество испускаемых электронов (ток эмиссии) определяется
величиной потенциала на аноде. Когда к аноду прикладывается внешняя сила, он
опускается вниз, изменяя тем самым напряженность поля и ток эмиссии.
Ток эмиссии может быть выражен через напряжение на аноде V:
вакуумная микрокамера анод
Рис. 9.11. Схема датчика силы, реализованного на основе
вакуумного диода [11]
где а и b — константы, а /3 — геометрический коэффициент
выступа на катоде, определяемый расстоянием между анодом и катодом. Для
повышения чувствительности радиус кривизны выступа должен составлять порядка
0.02 мкм.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
