Sensoren für einen Uhrwerk-/Fluidroboter?

"Handbook of Fluidic Sensors" stellt eine Liste von Fluidiksensoren bereit, die im Handel erhältlich waren, und ihre Fähigkeiten.

Fluidströmung und -druck Eine Pitot-Sonde ist ein einfaches Beispiel dafür, wie die Fluidströmungsgeschwindigkeit erfasst werden kann

Klang. Für die Fluidik können Sie Flüssigkeitsströmungen und Geräusche mehr oder weniger direkt wahrnehmen. Alles, was Sie für ein Mikrofon benötigen, ist ein akustisches Horn, um den Ton zu sammeln. Fluidische Schaltungen auf Basis von Strahlablenkverstärkern arbeiten grundsätzlich mit akustischen Signalen. Obwohl es mit herkömmlichen Fluidikkreisen schwierig ist, bei Ultraschallfrequenzen zu arbeiten. Einige Flüssigkeitsdüsen zeigen eine Empfindlichkeit gegenüber Ultraschall, und es wurden ultraschallbetriebene Flüssigkeitsschalter entwickelt. Es wurde vorgeschlagen, solche Geräte zur Herstellung von ferngesteuerten Spielzeugen mit Ultraschall zu verwenden . Obwohl die Leistung dieser Art von Ultraschall-Fluidikschalter für diese Anwendung in der Praxis etwas zweifelhaft ist.

Nähe/Entfernung Obwohl es schwierig ist, mit Fluidik bei Ultraschallfrequenzen zu arbeiten, wurden fluidische Näherungssensoren, die auf der Verwendung von Ultraschall basieren, um einen Fluidstrahl in einen turbulenten zu überführen, kommerziell eingesetzt. Weitere Informationen finden Sie auf Seite 109 des Handbuchs. Obwohl der obige Sensor nur eine boolesche Antwort liefert. Es gibt auch Fluidikgeräte, die Ultraschall modulieren und demodulieren können, was bedeutet, dass Sie möglicherweise einen funktionsfähigen Sonar-Entfernungsmesser herstellen könnten, obwohl Sie keine Schaltelemente haben, die bei Ultraschallfrequenzen arbeiten. Obwohl dies noch nie zuvor gemacht wurde und man möglicherweise die Grenzen dessen verschieben muss, was mit Fluidik möglich ist, um dies zu tun. Es könnte praktischer werden, wenn wir fluidische Geräte mit Gasen niedriger Dichte wie Wasserstoff und Helium betreiben, die höhere Schallgeschwindigkeiten haben und somit höhere Betriebsfrequenzen ermöglichen können. Sie können auch kurze Entfernungen messen, indem Sie den Rückfluss von einem Strahl und andere strömungsdynamische Effekte messen, siehe Seite 19 und 57 im obigen Handbuch.

Berührungssensoren / Endschalter Eine Möglichkeit, einen einfachen Berührungssensor herzustellen, besteht darin, etwas zu machen, das ein Ventil oder Loch öffnet, wenn es gestoßen wird. Im obigen Handbuch finden Sie zahlreiche Beispiele dafür. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein offenes Loch zu haben, aus dem wir Luft herausblasen, wobei ein weiterer Kanal zurück zu der Schaltung führt, die wir ansteuern möchten. Wenn sich die Löcher öffnen, ist die Leistung Null, wenn das Loch bedeckt ist, wird die Luft zum Kanal umgeleitet. Diese Art von Gerät wird normalerweise als Gegendruckschalter bezeichnet und ist unten dargestellt.

Dieselbe Technik kann auch verwendet werden, um kurze Entfernungen zu messen, indem der Gegendruck betrachtet wird.

Rotationskodierer Man kann ein einfaches Analogon eines optischen Kodierers herstellen, indem man anstelle eines Lichtstrahls einen Flüssigkeitsstrahl verwendet. Man kann auch einen Kanal verwenden, dessen Breite sich ändert, so dass sich der Strömungswiderstand mit der Drehung ändert, was es ermöglicht, analoge Absolutcodierer herzustellen

Dehnungsmessstreifen/Kraftsensoren Eine Möglichkeit zur Herstellung von Dehnungsmessstreifen besteht darin, ein Rohr mit einem spiralförmigen Kanal darin zu haben, ähnlich wie eine Feder, und einen Gummischlauch in den Kanal zu stecken. Durch das Zusammendrücken des Rohrs wird der Schlauch zusammengedrückt und der Widerstand gegen den Flüssigkeitsstrom erhöht

Temperatursensoren Wenn sich Flüssigkeiten erwärmen, können sich ihre Viskosität, Dichte und Schallgeschwindigkeit ändern, was wir mit Flüssigkeitskreisläufen wahrnehmen können. Fluidische Kapillarpyrometer, die die Temperatur messen, indem sie sich die Tatsache zunutze machen, dass Gase bei höheren Temperaturen weniger viskos werden und somit den Widerstand eines Kapillarrohrs verringern, wurden verwendet, um die Temperatur von geschmolzenem Stahl zu messen. Ein weiteres Mittel zur Temperaturmessung besteht darin, die Tatsache auszunutzen, dass sich die Tonhöhe eines Fluidoszillators ändert, wenn sich die Temperatur aufgrund der Änderung der Schallgeschwindigkeit ändert.

Chemische Zusammensetzung Flüssigkeitsviskosität, Dichte und Schallgeschwindigkeit können sich auch mit der Zusammensetzung ändern. Ein einfaches Beispiel dafür ist, dass wir mit einem Oszillator die Menge an Helium/Wasserstoff in der Luft messen können. Je höher die Tonhöhe ist, desto mehr Helium/Wasserstoff ist in der Luft. Fluidik wurde auch verwendet, um einen nichtelektrischen Gaschromatographen herzustellen

Beschleunigungsmesser/Gyroskope Es wurden rein fluidische Gyroskope hergestellt. Die Rotation kann dazu führen, dass eine Flüssigkeit wirbelt und einen Wirbel bildet, der den Flüssigkeitswiderstand erhöht.

Diese wurden in einem Flugzeug-Autopiloten verwendet und wurden auch zur Stabilisierung von Flugkörpern und Raketen verwendet. Man kann sich auch zunutze machen, dass ein Flüssigkeitsstrahl durch Rotation oder Beschleunigung abgelenkt wird (siehe Seite 7). Diese wurden verwendet, um Stabilisierungssysteme für fluidische Panzerkanonen herzustellen. Es ist auch interessant festzustellen, dass das erste Auto-Navigationssystem auf diesem Prinzip basierte , obwohl der Jet elektrisch durch Hitzdraht-Anemometer erfasst wurde

Magnetfelder Die meisten Fluidik-Verstärker basieren auf der Ablenkung eines Strahls zwischen zwei Öffnungen unter Verwendung senkrechter Fluidströmungen. Anstelle eines senkrechten Flüssigkeitsflusses können wir einen Magneten auf einen flexiblen Strahl im Strahl legen, sodass bei einem Magnetfeld die Biegung des Strahls den Strahl ablenkt.

Licht Licht ist am schwierigsten zu spüren. Im Allgemeinen ist es schwierig, Licht in mechanische Signale umzuwandeln, da die Energie, die Licht trägt, tendenziell gering ist. Es sei denn, das Licht ist hell. Fluidische Sonnensensoren wurden hergestellt, bei denen wir eine Linse verwenden, um das Sonnenlicht auf zwei kurvige, schwarz lackierte Rohre zu fokussieren. Da die Viskosität der Flüssigkeit mit der Temperatur abnimmt, können wir den Widerstandsunterschied zwischen den beiden Rohren betrachten, um herauszufinden, wo die Sonne steht. Unter Verwendung dieses Ansatzes wurde ein einachsiges fluidisches Lagesteuerungssystem demonstriert, das in der Lage ist, die Sonne zu verfolgen, das für eine Sonnensonde vorgesehen ist. Ein ähnlicher Ansatz wurde vorgeschlagen, um IR-suchende, von Railguns abgefeuerte Projektile herzustellen.(Fluidik kann dem enormen EMP standhalten) Eine andere Möglichkeit, Licht wahrzunehmen, ist die Nutzung des photoakustischen Effekts. Wenn das Licht sehr schnell ein- und ausschaltet, wird sich ein Lufthohlraum ausdehnen und zusammenziehen, wodurch ein Geräusch entsteht. Obwohl dieser Ton sehr klein sein kann, können wir ihn mithilfe von Fluidic-Verstärkern zu etwas verstärken, mit dem wir arbeiten können. Der oben erwähnte nichtelektrische Gaschromatograph war in der Lage, das photoakustische Signal von einem 1 mW in ein pneumatisches Steuersignal zu verstärken. Fortsetzung des Trends absolut verrückter Anwendungen von Fluidik für das SDI, ein fluidisches ICBM-Abfangkontrollsystemwurde demonstriert, die einen Laser zur Steuerung von Umlenkdüsen verwendete. Ein vorgeschlagenes Mittel zum Erfassen von Licht mit Fluidik von zweifelhafter Praktikabilität, aber potenziell höherer Empfindlichkeit als die oben verwendeten thermischen Ansätze ist die Verwendung einer chemischen Reaktion, die photochemisch ausgelöst wird . Wenn wir beispielsweise einen kontinuierlichen Wasserstoff- und Chlorstrom in eine Kammer leiten, reagieren Wasserstoff und Chlor explosionsartig, wenn sie ausreichend hellem UV- oder blauem Licht ausgesetzt werden. Wir können dann den Druck und die Strömung der Explosion spüren. Vielleicht könnte ein Streifen lichtempfindlichen Sprengstoffs verwendet werden. Kurz gesagt, es wird schwierig sein, etwas anderes als helles Licht zu spüren.

Berühren, Hören, Gleichgewicht und Sehen, wenn Sie die Chemie haben.

Zum Hören verwenden wir bereits ein meist flüssiges System. Eine vibrierende Membran übersetzt vibrierende Luft in Flüssigkeit, die dann Haare vibrieren lässt. Wenn diese Haare an Mikropneumatiken (anstelle von elektrochemischen Rezeptoren) befestigt sind, könnten sie das Signal an die pneumatische CPU (Gehirn) übertragen.

Balance funktioniert ziemlich ähnlich, wobei Flüssigkeit Signale sendet, wenn sie bestimmte Punkte auslöst, indem sie in das Innenohr gekippt wird.

Berührung könnte funktionieren, indem eine flexible äußere Schicht aus "Haut" (Gummi, Kunststoff, was auch immer) vorhanden ist. Es drückt auf eine Reihe von zehntausend winzigen Kolben, die Drucksignale durch die Flüssigkeitskanäle an die CPU senden.

Vision ist wirklich schwierig. Aber im menschlichen Auge verändert ein Photon tatsächlich die Form eines Moleküls in einem Stab oder Kegel im Augenhintergrund, wie ein winziges Zahnrad, das sich darin dreht. Vielleicht könnten Sie eine Chemikalie verwenden, die sich stark genug ausdehnt oder zusammenzieht, wenn sie Licht ausgesetzt wird, um die Flüssigkeitskanäle zu beeinflussen. Ich gebe zu, dass letzteres mein chemisches Wissen übertrifft.

Die Technologie zur Herstellung dieser Sensoren wird heute verwendet und in alltäglichen Konsumgütern von Tintenstrahldruckern bis hin zu Mobiltelefonen verwendet.

Mikroelektro-mechanische Systeme (MEMS) sind Mikroschaltkreise, die mit denselben lithographischen Prozessen hergestellt werden, die in den 1970er Jahren für integrierte Schaltkreise verwendet wurden.

MEMS-Drucksensor

Sie können problemlos Temperatur, Druck und Flüssigkeitsströme messen und Blasen in der Hydraulikflüssigkeit erkennen, indem sie beobachtbare Parameter der Fluiddynamik mit MEMS-Kapazitäts- und Widerstandsmessgeräten in Kombination mit Standard-Analog-Digital-Wandlern und ein wenig Mathematik kreativ nutzen. Diese Signale können unter Verwendung von Standard-Digital-Analog-Wandlern zurück in analoge Pegel umgewandelt werden, die dann unter Verwendung elektromechanischer Wandler in Druckpegel oder Druckoszillationen umgewandelt werden könnten.

Wenn ein vollständig mechanischer Sensor erforderlich ist, funktioniert das grundlegende MEMS-Design immer noch und es muss nur der Abtastmechanismus geändert werden. Zum Beispiel in dem unten gezeigten MEMS-Drucksensor. Die Membran muss mit einer mechanischen Schubstange verbunden werden, deren Bewegung durch Standardmittel unter Verwendung von Kombinationen von Hebeln oder Getrieben verstärkt wird. Die Sensoren werden nicht größer als ein Reiskorn sein, aber der mechanische Signalmechanismus wird größer sein.

Ein Vorteil von MEMS-basierten Lösungen ist, dass Silizium in dieser Größenordnung von wenigen Mikrometern fester ist als Stahl, sodass die Sensoren sehr robust sind.

Die Größe der mechanischen Verstärker wird durch die erforderliche Verstärkung und die verfügbaren Materialien bestimmt.