гравітаційні датчики
До добре відомим гравітаційним детекторам рівня відносяться датчики, які використовуються в туалетних бачках. Головним елементом таких перетворювачів є поплавок - пристрій, що володіє меншою ніж у води щільністю. У більшості бачків поплавок безпосередньо пов'язаний з водопровідних краном, і в залежності від рівня води відкриває або блокує його. Поплавок, по своїй суті, є детектором положення поверхні води. Якщо рівень води необхідно не тільки відслідковувати, а й вимірювати, до поплавця можна підключити перетворювач положення: потенциометрический, магнітний, ємнісний або будь-якої іншої датчик прямої дії (рис. 7.1 Б). Слід зазначити, що гравітаційні датчики сприйнятливі до різних перешкод, джерелами яких є тертя і прискорення. Очевидно, що такі датчики не працюють в умовах відсутності гравітаційних сил або в умовах змінної гравітації, наприклад, на космічних станціях або реактивних літаках.
Рівнеміри. що визначають кут нахилу об'єкта щодо направлення до центру тяжіння Землі, використовуються при будівництві доріг, в інерційних навігаційних системах, в механічних верстатах і інших пристроях. Одним з найстаріших, але до сих пір дуже популярним детектором положення є ртутний перемикач (рис. 7.3А і 7.3Б), що складається з непроводящей трубки (часто скляній), двох електричних контактів і краплі ртуті. Коли датчик нахилений щодо вектора гравітаційної сили в одну сторону, крапля ртуті переміщається в протилежному від контактів напрямку, перемикач розмикається. Зміна орієнтації пристрою призводить до того, що ртуть скочується в сторону контактів, закорачівая їх, перемикач при цьому замикається. Ртутні перемикачі застосовуються в побутових термостатах, де вони монтуються на біметалічною котушці, використовуваної в якості чутливого елемента, що реагує на зміну навколишньої температури. При підвищенні або зниженні кімнатної температури змінюється вигин котушки, який визначає орієнтацію перемикача. Замикання і розмикання контактів ртутного ключа управляє системами нагрівання та охолодження. Очевидний недолік такої системи полягає в її постійному включенні-виключенні (на технічній мові - в двухпо-позитний управлінні). Ртутний перемикач є граничним пристроєм, що змінює свій стан в момент, коли кут його повороту перевищує задане значення.
Для більш точного визначення кутових переміщень застосовуються більш складні пристрої. На рис. 7.3В показано одне з них, зване електролітичним датчиком нахилу. Цей датчик складається з невеликої, злегка зігнутої скляної трубки, частково заповненою електролітом, в якій розміщені три електрода: два - на кінцях, а один - по центру, що знаходиться всередині трубки повітряний міхур переміщається уздовж неї при її нахилі в ту або іншу сторону. Залежно від розташування міхура змінюються електричні опори між центральним і бічними електродами. Як тільки стан трубки перестає бути горизонтальним, пропорційно її куту нахилу змінюються і значення опорів. Електроди включаються в бруківку схему, що живиться змінним струмом.
Електролітичні датчики нахилу випускаються декількома кампаніями (наприклад, The Fredericks Company, Huntingdon Valley PA) для вимірювання широкого діапазону кутів: ± 1 °. ± 80 °. Залежно від вимірюваного діапазону змінюється і ступінь зігнутості скляних трубок.
Ще більш точними приладами для вимірювання кутів нахилу є датчики, реалізовані на основі фотодіодною матриці [1]. Пристрої цього типу застосовуються в будівництві і на механічних виробництвах для визначення з високою роздільною здатністю форми складних об'єктів. Наприклад, такі детектори використовуються для оцінки форми доріг і земельних ділянок, а також контролю рівномірності листів стали, що не можна виконати традиційними методами. Оптоелектронний датчик нахилу (рис. 7.4А) складається з светоизлучающего діода (СІД) і спиртового нівеліра в формі півсфери, змонтованого на фотодіодною матриці р-n типу. Тінь бульбашки повітря в рідині нівеліра проектується на поверхню фотодіодною матриці. Якщо датчик знаходиться в строго горизонтальному положенні, тінь від бульбашки є круглою (рис. 7.4Б), і площі ділянок тіні, що потрапляють на різні фотодіоди матриці, дорівнюватимуть. При нахилі датчика тінь від бульбашки набирає вигляду зміщеного від центру еліпса (рис. 7.4В), очевидно, що при цьому струми на виходах кожного фотодіода будуть різними. Найбільш поширені датчики мають такі технічні параметри: діаметр СІД - 10 мм; відстань між СІД і нівеліром - 50 мм, діаметри скляній півсфери і бульбашки - 17 і 9 мм. Вихідні сигнали діодів перетворюються в цифровий код і калибруются при різних кутах нахилу. Дані калібрування заносяться в спеціальні таблиці, які використовуються обчислювальними пристроями при обробці отриманих значень. Для визначення форми об'єкту оптоелектронний датчик черзі поміщається в вузли сітки, утвореної рівномірно нанесеними на поверхні об'єкту вертикальними і горизонтальними лініями. В результаті цієї процедури знаходяться координати х і у кута нахилу в кожному вузлі сітки, за якими комп'ютер відновлює форму об'єкта.