Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Российский государственный университет нефти и газа
им. И.М. Губкина
Кафедра информационно-измерительных систем
Ю.А. Дадаян
Сборник лабораторных работ по курсу
"Основы взаимодействия физических полей с веществом"
Для студентов специальности
200106 "Информационно-измерительная техника и технологии"
Москва, 2009
УДК 621.317.39(075.8)
Ю.А. Дадаян.
Сборник лабораторных работ по курсу «Основы взаимодействия физических полей с веществом». ЁC М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2009 г.
В сборнике представлены лабораторные работы, в которых рассмотрены вопросы общей теории работы измерительных преобразователей, методы расчеты основных характеристик преобразователей.
Методические указания предназначены для студентов специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии»
Рецензент: к.т.н., доцент Горохов А.В.
В подготовке и оформлении сборника принимал участие студент группы АИ-06-7 Михайлов А.М.
Российский государственный университет нефти и газа
им. И.М. Губкина,
2009
ВВЕДЕНИЕ
Любой измерительный процесс представляет собой последовательность измерительных преобразований от восприятия физической величины до формирования ее числового значения в той или иной форме. Указанные выше преобразования осуществляются с помощью измерительных преобразователей (ИП) различной физической природы.
Согласно определению ГОСТа измерительный преобразователь - это средство измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
При измерении физической величины важным является воспроизведение и селекция ее для дальнейшей обработки и окончательного представления числового значения величины. Элемент, воспринимающий физическую величину, называется чувствительным элементом (ЧЭ). Сигнал после ЧЭ преобразуется в промежуточный измерительный сигнал, который, как правило, невозможно непосредственно использовать для передачи и представления. ЧЭ входит составной частью (конструктивно или схемно) в ИП, где осуществляется формирование выходного сигнала с помощью мостовой схемы, дифференциального трансформатора, фазового детектора и других устройств, сигнал после которых уже может быть передан, преобразован и представлен в виде числового эквивалента.
Измерительный преобразователь - это устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, и имеющие определенную входную величину и соответствующую выходную величину, между которыми для каждого конкретного преобразователя, существует функциональная зависимость.
Функция преобразования измерительного преобразователя - это функциональная зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением или графиком. Чаще всего стремятся иметь линейную характеристику преобразования, т.е. прямую пропорциональность между изменением входной величины и соответствующим приращением выходной величины преобразователя.
Возможность получения и обработки измерительной информации в темпе технологического процесса является важным фактором. Большие объемы информации требуют немедленной систематизации и анализа для принятия соответствующих решений. В связи с этим изменились и требования, предъявляемые к измерительным преобразователям.
Измерительные преобразователи за последние годы претерпели существенные изменения. На смену механическим устройствам пришли твердотельные (полупроводниковые), сигнетоэлектрические, оптоволоконные и т.п. элементы. В настоящее время сенсорика (sensus (лат.) - ощущение, чувство) - это, фактически, целое системное направление, интегрирующее явления и эффекты, процессы и алгоритмы из таких областей знаний, как физика, химия, электроника, оптика, информатика и др.
Применение новых технологий для изготовления измерительных преобразователей позволило расширить сферы использования, а также повысить их точность, быстродействие, надежность, долговечность, значительно уменьшить габариты и массу, снизить цены.
С появлением микропроцессоров изменились требования к измерительным преобразователям. Сигнал датчика в большинстве случаев аналоговый, а для обработки в микропроцессоре должен быть представлен в цифровом виде. Такое преобразование обычно осуществляется интерфейсным устройством, включающим в себя АЦП (аналого-цифровой преобразователь).
В современных конструкторских разработках наблюдается тенденция к объединению чувствительных элементов с интерфейсными и микропроцессорными устройствами. Это позволяет предварительно обработать информацию еще до передачи ее в управляющий или контролируемый компьютер, т.е. реализовать операции высокого уровня, которые трудно осуществимы с помощью аналоговых устройств. К таким операциям относятся: подавление шумов, усреднение, нелинейная обработка и др.
Использование новейших технологических достижений, в том числе и нанотехнологий, позволяет создавать измерительные преобразователи не только с высокими качественными характеристиками (чувствительность, точность, линейность, воспроизводимость, отсутствие гистерезиса), но и с возможностью радикального улучшения технических характеристик: корректировка чувствительности и точки нуля, температурная компенсация, автоматическая диагностика собственного функционирования.
Таким образом, объединение в одном корпусе измерительного преобразователя чувствительного элемента, интерфейсных схем и средств цифровой обработки измерительных сигналов позволяет выполнять основные операции по преобразованию измерительной информации, в месте ее возникновения, т.е. произошла "интеллектуализация" датчиков.
Лабораторная работа № 1
Исследование виброчастотного датчика.
1.1. Цель работы.
Определение рабочей характеристики, чувствительности, гистерезиса и нелинейности виброчастотного датчика.
1.2. Теоретическая часть.
В датчиках частотного типа изменение величин измеряемого параметра приводит к изменению временных характеристик выходного электрического сигнала. В большинстве датчиков изменяется частота выходного импульсного сигнала, уровень которого непосредственно согласуется с уровнями сигналов цифровых измерительных схем.
Передача сигнала от датчика в виде частотного сигнала позволят резко уменьшить влияние помех в линии связи датчик-измеритель на результаты достигнутых измерений. Цифровой счет частоты позволяет также легко осуществлять операции интегрирования и усреднения результатов по любому необходимому отрезку времени.
По характеру процессов в частотно-задающей части датчики могут быть резонаторные и нерезонаторные.
В резонирующих системах датчиков могут существовать как свободные, так и вынужденные колебания. Нерезонирующие системы работают в режиме вынужденных колебаний. Частотные датчики с механическими резонирующими системами, так называемые виброчастотные, обладают высокой стабильной характеристикой. Принцип действия струнных виброчастотных датчиков основан на зависимости собственной частоты колебаний натянутой струны от ее длины и силы натяжения. Если натяжение струны создает приложенная измеряемая сила, говорят, что струна работает в режиме преобразования силы. В этом случае частота собственных колебаний струны зависит от приложенной силы по закону:
µ §
где
µ §- частота собственных колебаний струны;
Fx - приложенная сила.
Погрешности струнного датчика определяются его конструкцией, примененными материалами струны и упругого элемента, способом крепления струны, технологией изготовления и сборки деталей датчика.
В качестве струн используют обычно материалы с хорошими упругими свойствами, обычно сталь или фосфористую бронзу. При этом при работе датчика в режиме заданной длины весь датчик выполняется из стали той же марки, из которой сделан упругий элемент, что уменьшает температурные погрешности.
Важным вопросом конструкции, влияющим на точность преобразования, является способ крепления струны. Крепление, в принципе, нарушает однородность струны, так как любое зажатие струны изменяет ее геометрические размеры и свойства материала. Это, в свою очередь, приводит к зависимости частоты колебаний от амплитуды и к дополнительной нелинейности характеристик преобразования, то есть к уменьшению стабильности и произвольному изменению характеристики.
Все вопросы крепления и температурных погрешностей согласования материалов снимаются при изготовлении струны упругого элемента и корпуса датчика из одного куска стали.
Существенным оказывается и наличие трения о воздух. Как известно, при наличии потерь за счет трения о воздух частота колебания струны отличается от собственной частоты. При изменении атмосферного давления или влажности изменяется плотность воздуха и изменяется трение. Это приводит к изменению частоты датчика. Для уменьшения этой погрешности датчики герметизируют.
Струнные датчики могут работать в режиме свободных колебаний, вынужденных колебаний и в автоколебательном режиме.
В режиме свободных колебаний осуществляется периодическое возбуждение струны коротким импульсом, и после его прекращения осуществляется измерение длительности одного или нескольких периодов свободных колебаний струны.
В режиме вынужденных колебаний на возбудитель колебаний струны подается от генератора переменный сигнал с изменяющейся медленно частотой (от так называемого свипгенератора). Поэтому амплитуда колебаний струны и сигнала приемника изменяется, достигая максимального значения при совпадении частоты возбуждающего сигнала с собственной частотой колебаний струны (при резонансе). Измерения периода колебаний струны производятся только при этой максимальной амплитуде.
В режиме автоколебаний струна включается в цепь обратной связи. Глубина положительной связи устанавливается такой, чтобы колебания всегда поддерживались на частоте резонанса.
Для возбуждения колебаний струны и съема сигнала частоты колебаний используют при металлических струнах электромагнитные и магнитоэлектрические преобразователи. Принцип их работы показан на рис. 1.1. а и б. При протекании тока возбуждения через электромагнит струна притягивается к магниту (рис. 1.1. а); при протекании тока возбуждения через струну она смещается в магнитном поле (рис. 1.1. б). Чаще используется электромагнитный способ возбуждения и съема колебаний. Выбор конструкции, электромагнита позволяет возбуждать колебания только на основной частоте.
Рис.1.1. Конструкция возбудителей колебаний струны.
1.3. Описание макета.
В данной работе изучаются характеристики и параметры виброчастотного преобразователя силы тока ПСЧ-5, предназначенного для точного преобразования силы в частотно-модулированный электрический сигнал. Он используется в качестве датчика веса в цифровых весах. Датчик рассчитан на диапазон нагрузки 2 - 5 кг. Преобразователь работает в автоколебательном режиме. Начальная частота датчика 7100 Гц.
Преобразователь рассчитан на работу при температуре 0-50 С°
Конструкция преобразователя показана на рис.1.2.
Рис.1.2. Конструкция преобразователя силы в частоту
Весь преобразователь выполнен из одного куска стали и состоит из следующих элементов:
1 - массивные цилиндры, основа датчика;
2 - упругая соединительная пластина;
3 - плоская струна;
4 - силоприемныи штифт;
5 - корпус датчика с креплением;
6 - катушки электромагнитного возбудителя и приемника.
В корпусе датчика установлен электронный усилитель.
Выходное напряжение датчика близко к прямоугольному периодическому сигналу. Для измерения частоты или периода колебаний датчика используется стандартный цифровой частотомер. Схема включения приведена на рис. 1.3.
Рис.1.3. Схема для исследования преобразователя силы
Датчик 1 соединен через колодку 2 с источником постоянного напряжения 3. Вольтметр 4 служит для измерения напряжения питания датчика. Частоты выходного сигнала измеряется цифровым частотомером 5.
1.4. Порядок выполнения работы.
При исследовании датчика необходимо помнить, что датчик может выйти из строя, при увеличении нагрузки свыше 5 кг и увеличении напряжения питания выше 12 В.
Собрать схему в соответствии с рис.1.3. Установить напряжение питания датчика 10В. Проверить начальное значение частоты ненагруженного датчика.
Снять время установления рабочего режима путем последовательной записи через 1 минуту показаний частоты датчика с 6-ю значащими цифрами. При включении датчика наблюдается монотонное изменение показаний в течение 5 минут, после чего показания начинают незначительно изменяться вокруг среднего значения.
Для определения стабильности показаний провести запись 20 последовательных показаний частотомера, установив время индикации достаточным для записи 3-х последних цифр (5 ЁC 10 с).
Определить зависимость показаний ненагруженного датчика от напряжения питания. Для этого записать по 10 показаний при напряжении питания датчика 12, 10, 8, 7 В.
Снять рабочую характеристику датчика при последовательном нагружении датчика гарями соответственно с весами 1, 2, 3, 4, 5 кг и последовательном разгружении датчика при тех же значениях веса, т.е. 5, 4, 3, 2, 1 кг.
1.5. Содержание отчета.
1.5.1. Определить время установления рабочего режима датчика как время изменения показаний от момента включения до установившегося среднего значения с точностью 0,01% и 0,001%.
1.5.2. Определить среднее значение в установившемся режиме и величины максимального и среднеквадратичного отклонения.
1.5.3. Построить рабочую характеристику датчика. Определить величину приращения частоты на 1 кг для каждого участка.
µ §
1.5.4. Определить максимальную погрешность линейной апроксимации рабочей характеристики в %. При этом провести прямую через точки соответствующие Р0 = 0 и Pmax = 5 кг, то есть считать:
µ §
Погрешность в промежуточных точках будет равна:
1.5.5. Определить величину разности показаний датчика при нагрузке и разгрузке, т.е. величину гистерезиса. Выразить гистерезис в процентах.
1.5.6. Представить все результаты измерений как в виде таблиц, так и графически. При графическом изображении масштаб по оси должен позволять видеть изменения частоты, для чего за начало оси принять величину частоты при начальном значении.
1.6. Контрольные вопросы.
1.Какой принцип действия струнных датчиков?
2. Какие факторы влияют на погрешности струнных датчиков?
3. В каких режимах работают струнные датчики?
4. Какие основные характеристики струнных датчиков?
Литература.
Новицкий П.В., Киорринг В.Г., Гутников B.C.
Цифровые приборы с частотными датчиками. -
Л.: Энергия, 1990.
Лабораторная работа № 2
Градуировка пьезоэлектрического датчика давления
2.1. Цель работы.
Определение чувствительности преобразователя.
2.2. Теоретическая часть.
Пьезоэлектрический датчик давления (п.д.) является измерительным преобразователем давления в электрическое напряжение.
Схема п.д., в котором используется пьезоэффект, изображена на рис.2.1.
Рис.2.1. Схема пьезодатчика:
1 - круглая пластинка пьезоэлектрика,
2 - проводящие прокладки;
х - электрическая ось кристалла кварца (или ось поляризации для пьезокерамики);
P(t) ЁC давление, равномерно распределенное по поверхности датчика.
Поверхность пластин 1 и 2 перпендикулярна оси х. Так как п.д. всегда включается на вход усилительного устройства, то при рассмотрении его преобразовательных свойств всегда должна учитываться нагрузка - входная емкость и входное сопротивление этого усилителя. Основное условие правильной работы п.д. в качестве измерительного преобразователя состоит в том, что наименьшая частота собственных механических продольных колебаний пластинки пьезоэлектрика должна быть в несколько раз больше частоты высшей гармонической составляющей переменного давления.
|
