Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2013 № 10

Средняя цена ультразвукового дальномера — около 100 рублей. Поэтому моделисты чаще всего пользуются именно ими.

В инфракрасном дальномере светодиод через фокусирующую линзу излучает узкий пучок инфракрасных лучей. Отраженное от препятствия излучение попадает на приемник, представляющий собой CCD-матрицу (Charge-Coupled Device), или, иначе, прибор с зарядовой связью (ПЗС-матрица). Здесь излучение усиливается и из аналогового преобразуется в цифровой код. На основе анализа изображения CCD-матрицы встроенный контроллер рассчитывает угол наклона принятого луча и время, за которое он преодолел путь туда-обратно, а потом высчитывает расстояние до препятствия. Инфракрасный луч удобен тем, что позволяет определять расстояния в полной темноте.

В моделировании инфразвуковые, как и ультразвуковые, датчики используются для определения расстояний до очередного препятствия, чтобы модель автомобиля или того же робота не сталкивалась с препятствиями при движении по маршруту.

Датчик положения объекта в пространстве чаще всего представляет собой гироскоп.

Поскольку настоящие механические гироскопы стоят очень дорого (порядка 1500 долларов США), а кроме того, достаточно велики и массивны для моделей, вместо них в моделизме, робототехнике получили распространение МЭМС-гироскопы.

Такие микроэлектромеханические системы дешевы и миниатюрны, а потому встречаются сегодня практически в каждом смартфоне. Справедливости ради скажем, что это устройство правильнее назвать гиротахометром, то есть измерителем скорости угла поворота, но функции свои он все равно выполняет исправно.

В основе МЭМС-гироскопа лежит так называемый вибрационный гироскоп, в котором роль вращающегося ротора выполняет своеобразный вибрирующий маятник. При повороте гироскопа маятник пытается сопротивляться приложенной силе. Возникающее сопротивление маятника фиксируется и преобразуется в электрический сигнал.

МЭМС-гироскопы используются для стабилизации полета вертолетов, квадрокоптеров и прочих авиамоделей. Стоимость МЭМС-гироскопа — от 300 рублей и выше.

Емкостной датчик линейного перемещения с изменяющейся величиной зазора.

Емкостной датчик с цилиндрическим конденсатором.

Оптический датчик перемещения на основе дифракционных решеток.

Оптический датчик перемещения на основе оптической триангуляции.

Вихретоковый датчик перемещения.

Ультразвуковой датчик перемещения .

Схема МЭМС-гироскопа

При конструировании детекторных и транзисторных радиоприемников радиолюбители постоянно сталкиваются с проблемой недостатка чувствительности обычных диодных или транзисторных амплитудных детекторов. Их коэффициент передачи быстро уменьшается при уровнях радиочастотного (РЧ) сигнала ниже 100 мВ. Это связано с характером нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) полупроводниковых переходов, на которых происходит детектирование: если при больших сигналах для диода, например, на ВАХ наблюдаем резкий излом, то при малых сигналах кривая получается плавной.

Возьмем обычный диодный детектор простейшего приемника. Пусть, для примера, при РЧ-сигнале 1 В продетектированное напряжение ЗЧ будет также 1 В — при таких сигналах детектор можно считать «линейным». Тогда при входном РЧ-сигнале 0,1 В напряжение ЗЧ будет только 0,01 В (10 мВ), а при РЧ-сигнале 0,01 В — всего 100 мкВ; в наушниках такой сигнал услышать трудно.

Значительно большей чувствительностью и большим динамическим диапазоном входных сигналов обладают активные детекторы, имеющие в своем составе усилительный элемент. Активным элементом обычно служит операционный усилитель (ОУ). К сожалению, их так и не стали применять в радиоприемниках, вероятно, из-за сложности, дороговизны и ограниченного частотного диапазона. К тому же ОУ требует двуполярного питания.

Типовая схема амплитудного детектора на ОУ показана на рисунке 1. Если вместо диода VD1 был бы включен резистор, то получился бы обычный инвертирующий усилитель на ОУ.

С диодом картина резко меняется: когда на вход поступает отрицательная полуволна РЧ-напряжения, на выходе появляется положительный потенциал, диод открывается и замыкает цепь отрицательной обратной связи, резко снижая коэффициент усиления. Для положительных полуволн входного РЧ-напряжения ничего подобного не происходит — диод остается закрытым, и эти полуволны, усиленные ОУ, появляются на выходе в отрицательной полярности (рис. 2).

РЧ-пульсации выходного напряжения сглаживаются RC-цепочкой R2, C1, и на выходе детектора остается только усредненный звуковой сигнал. Коэффициент передачи этого детектора можно еще увеличить почти вдвое, заменив резистор R2 вторым диодом, включенным в том же направлении, что и первый, то есть катодом к ОУ и анодом к выходу. Тогда на выходе получим огибающую ЗЧ, выделенную на рисунке 2 утолщенной линией.

Используя высокочастотные транзисторы и диоды, автору около 20 лет назад удалось разработать простой амплитудный детектор с высокой чувствительностью, работающий на таком же принципе и содержащий минимум деталей.

Схема детектора показана на рисунке 3. Он представляет собой обычный усилительный каскад, в котором в цепи смещения базы транзистора VT1 вместо резистора установлен кремниевый высокочастотный диод VD1. Цепочка R2, C2 фильтрует сигнал ЗЧ на выходе детектора от РЧ-пульсаций.

В отсутствие РЧ-сигнала напряжение на коллекторе транзистора автоматически устанавливается около 1…1,1 В, оно равно сумме напряжений открывания диода и перехода база — эмиттер транзистора. Ток транзистора определяется напряжением питания и сопротивлением резистора нагрузки R1, Iо = (Uп — 1)/R1. При номинале резистора, указанном на схеме, и напряжении питания 3 В ток составляет около 0,5 мА, но его можно сделать и значительно меньше, увеличив сопротивление R1.

Ток базы транзистора составляет не более нескольких микроампер, он протекает через диод в прямом направлении, устанавливая рабочую точку на пороге открывания — на участке с максимальной кривизной вольт-амперной характеристики, что и требуется для хорошего детектирования.

При поступлении на вход детектора AM-сигнала положительные полуволны, выделяющиеся на нагрузке R1, выпрямляются диодом и увеличивают потенциал базы, открывая транзистор. Емкость разделительного конденсатора С1 должна быть значительно больше емкости обычных разделительных конденсаторов радиочастотных каскадов, чтобы он не успевал разряжаться током базы за период колебаний. Коллекторный ток открывающегося транзистора возрастает, а его коллекторное напряжение уменьшается.