ТАКТИЛЬНЫЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ПОЛИГРАФИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

March 16, 2014 by admin Комментировать »

Тактильные датчики – это специальный класс преобразователей силы или давления, в частности в электрический сигнал. Тактильные датчики касания, например, используются в сенсорных дисплеях, клавиатурах и других устройствах, где необходимо реагировать на физическое прикосновение. В полиграфическом производстве тактильные датчики могут использоваться для определения силы натиска, действующей в печатном аппарате, усилия прижима стопы бумаги в резальной машине и т. п.

Для изготовления тактильных чувствительных элементов используются различные методы. Одним из них является формирование на поверхности объекта специального тонкого слоя из материала, чувствительного к механическим напряжениям, рис. 1.16.

Рис. 1.16. Тактильный элемент мембранного типа

Одна из контактных поверхностей (фольга) заземлена, а вторая подсоединяется мультиплексором (если требуется контролировать несколько чувствительных зон) к резистору, формирующему выходной сигнал. Приложение внешней силы к верхней поверхности прогибает ее и создает контакт с некоторой нижней поверхностью, что приводит к заземлению выхода мультиплексора, снятию выходного напряжения. Этим свидетельствуется наличие внешнего контакта с датчиком. Верхняя и нижняя контактные поверхности изготавливаются электропроводящими. Чувствительные зоны таких датчиков могут располагаться рядами (строками) и колонками (столбцами). Прикосновение к определенному участку чувствительной поверхности приводит к замыканию соответствующих рядов и колонок, что создает локальное пятно приложенной силы.

Высокая чувствительность и качество тактильных датчиков достигается применением специальных материалов для контактных поверхностей и схемного решения снятия тактильного сигнала. Примером такого материала может служить пьезоэлектрические пленки, например, из поливинилиден фторида (PVDF). Они используются как в пассивном, так и в активном режимах работы, рис. 1.17.

Рис. 1.17. Активный пьезоэлектрический тактильный датчик

Между верхней и нижней пленками толщиной 40 мкм расположен компрессионный слой в 25 мкм, обеспечивающий акустическую связь между ними. Механические характеристики этого слоя определяют чувствительность и рабочий диапазон датчика. На нижний пьезоэлектрический слой подается переменное напряжение генератора. Эти колебания заставляют периодически сжиматься нижний слой, компрессионный слой и верхний слой, играющий роль приемника. Поскольку пьезоэлектричество обладает обратимым явлением, с верхнего слоя снимается переменное напряжение, которое усиливается и подается на синхронный демодулятор. Демодулятор, реагируя на амплитуду и фазу поступающего сигнала, обрабатывает его в выходное напряжение. Приложение внешней силы к датчику приводит к изменению механических характеристик его трехслойной структуры, что приводит к появлению на выходе демодулятора напряжения линейно зависящего от приложенного усилия (в определенных пределах). Электроды 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. Достоинства данного датчика – простота и выходной сигнал в виде постоянного напряжения.

Тактильные датчики могут выполнять функции сенсорных переключателей. Надежность контактов традиционных переключателей сильно снижается при попадании на них влаги и пыли, их работа, в частности, характеризуется дребезгом контактов. Пьезоэлектрические ключи могут работать в неблагоприятных условиях окружающей среды. Один из вариантов таких переключателей состоит из стального консольного элемента, на который нанесен слой пьезоэлектрической пленки (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Тактильный выключатель на Р VDF-пленке Элемент одним концом прикреплен к процессорной плате, на входе которой стоит ключ на основе полевого МОП-транзистора. Как только к этому элементу будет приложено механическое усилие, напряжение, возникшее на пленке, мгновенно переключит МОП-ключ, и на его выходе появится высокий уровень сигнала. Такой выключатель выдерживает до 10 миллионов циклов безаварийной работы. Простота конструкции делает такие переключатели привлекательными для использования в различных промышленных счетчиках, в системах автоматизации технологических процессов, в разливочных аппаратах и т. д. Тактильные элементы на основе пьезоэлектрических пленок способны работать в широких частотных и дина-

Нить проходит по вибрационному датчику, встроенному в корпус выключателя и отслеживающему акустический сигнал, возникающий от трения нити при ее прохождении над датчиком. Отсутствие характерных вибраций приводит к немедден- ной остановке ниткошвейного автомата.

Рис. 1.19. Пьезоэлектрический выключатель на основе .РЕПЕ-пленки

мических диапазонах. Рассмотрим датчик непрерывного мониторинга нити, например в ниткошвейном автомате, рис. 1.19.

Другой разновидностью тактильных датчиков является пьезорезистивный чувствительный элемент. Он изготавливается из материалов, чье электрическое сопротивление зависит от приложенного механического напряжения или давления. К таким материалам относятся 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. Например, проводящая резина получается при введении в обычную резину угольного порошка. Принцип действия эластомерных датчиков основан либо на изменении площади контактов при сдавливании эластомера между двумя проводящими пластинами (рис. 1.20), либо на изменении толщины слоя самого эластомера. В зависимости от величины внешней силы, действующей на датчик, меняется площадь контактной зоны между тактильными токопроводящими элементами и эластомером, в результате чего изменяется его электрическое сопротивление. При определенном давлении эта площадь становится максимально возможной.

Однако следует 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. Более тонкие пьезорезистивные тактильные датчики получаются из полупроводниковых полимеров, сопротивление которых также зависит от давления. Конструкция таких датчиков напоминает мембранный переключатель, рис. 1.21. Посравнению 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 пье-зорезистивных полимерных датчиков обычно составляет 0,25 мм, но возможно изготовление и более тонких структур.

В тех случаях, когда требуются тактильные микросенсоры, обладающие хорошим пространственным разрешением, высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном, следует применить датчики с механическим гистерезисом. Принцип действия такого порогового тактильного детектора с механическим гистерезисом может быть основан на использовании пластической деформации кремниевой мембраны. На рис. 1.21 показано 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. 1.22 показан вариант тактильного микропереключателя, в котором вместо газа, находящегося под давлением, применяется вакуум. Здесь вакуумная микрокамера находится между холодным катодом и подвижным анодом в виде диафрагмы.

Рис. 1.22. Датчик силы, реализуемый вакуумным диодом

Когда между анодом и кремниевым выступом на катоде появляются положительная разность потенциалов, формируется электрическое поле. Если напряженность поля превышает значение 5×10 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.

Источник: Беляев В. П., Шуляк Р. И., «Электронные устройства полиграфического оборудования», Белорусский государственный Технологический университет, Минск, 2011 г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты