Курсовая работа (т): Датчик силы с пределами чувствительности

Датчик силы с пределами чувствительности

Реферат

Пояснительная записка 22 листа, 4 рисунка, 5 таблиц.

Объектом разработки является датчик силы.

Цель данной курсовой работы - изучение методики разработки датчиков, включает в себя преобразование силы, основы построения датчика, расчёт измерительной цепи, выбор и расчёт упругого элемента.

Техническое задание

Пределы измеренияF_ном=(1, 2, 5,)·10²Н

Частотный диапазон измерения датчика ∆f=100Гц

Основная погрешностьδ=1,5%.

Эксплуатационные условия:

Температура окружающей среды-50ºС…+50ºС

Относительная влажность окружающей среды при температуре +35ºС до 95%

Вибрации с частотой f_гр=5кГц и амплитудой А=0,5мм

Воздействие линейных ускорений до 30g

Датчик должен выдерживать удары с ускорением 50g и длительностью до 0,001с

Воздействие боковой нагрузки до 15% от предела измерений

Воздействие перегрузки до 20% от предела измерений

Время непрерывной работы датчика должно быть не менее 2 часов

Технический ресурс должен быть не менее 1000 часов

Возможность хранения датчика в складских условиях не менее 10 лет

Вероятность безотказной работы датчика не менее 0,9

Содержание

Введение

.1 Разработка технического задания

.2 Анализ требований

.3 Анализ методов преобразования силы и выбор метода преобразования

.4 Анализ существующих датчиков и выбор прототипа

.5 Выбор измерительной цепи

.6 Выбор типа преобразователя

Выбор и расчёт упругого элемента

.1 Расчёт УЭ

.2 Расчёт частотного диапазона

.3 Выбор материала УЭ

.4 Расчёт эквивалентного коэффициента деформации

.5 Расчёт параметров ИЦ

.6 Конструирование датчика

.7 Расчёт основной погрешности

Заключение

Список используемых источников

Введение

Любая автоматизация предполагает управление техническим процессом на основе сбора, обработки и накопления информации. Поэтому неотъемлемую часть автоматических устройств и автоматизированных систем управления составляют средства измерения. Применение автоматизированных систем управления процессами требует измерять в общей сложности около двух тысяч физических, химических и других величин. Измерение производят с помощью разнообразных датчиков, выполняющих функцию первичного элемента, который воспринимает информацию от объекта и преобразует её для передачи в канал связи на вычислитель. Если датчики будут обладать неудовлетворительными характеристиками, то и все системы вне зависимости от степени совершенства вычислительных устройств будет работать неудовлетворительно.

Однако датчики не включаются в комплект ни одного из средств вычислительной техники или автоматизированных систем управления. Только в некоторых вычислительных комплексах предусмотрены периферийные устройства для усиления и преобразования сигнала, поступающего от датчика. В итоге при внедрении различных автоматических систем управления сразу же возникают трудности по сборам информации от объекта управления или исследования.

Именно датчики определяют саму возможность и качественный уровень работы автоматических станков, линий, систем управления. Это изначальные поставщики информации, и их погрешность не может быть скорректирована никакими последующими устройствами. Кроме того, датчик ведёт измерение, как правило, в условиях воздействия на него посторонних факторов, дополнительно влияющих на его точность.

1.1 Разработка технического задания

Разработать датчик измерения сил, развиваемых электрическими установками и агрегатами, обеспечивающий выдачу сигнала, пропорционального измеряемой силы, который в последствии будет подаваться на вход телеметрической системы.

Разрабатываемый датчик должен удовлетворять инженерным требованиям:

пределы измерения (1; 2; 5)10²Н;

выходной сигнал должен оцениваться в относительных единицах и при номинальной нагрузке должен составлять одно из значений ряда предпочтительных чисел;

датчик должен питаться от источника постоянного или переменного напряжения до 15В;

частотный диапазон работы должен быть не ниже 100Гц;

основная погрешность датчика должна лежать в пределах 1.5 %;

датчик должен работать при температуре окружающей среды от -50 до +50°С;

проектируемый датчик должен работать при воздействии вибраций с частотой 5кГц и амплитудой 0.5мм;

датчик должен выдерживать перегрузку до 20% от предела измерения, а также быть работоспособным при воздействии линейных ускорений до 30g;

время непрерывной работы датчика не менее двух часов;

технический ресурс датчика должен быть не менее тысячи часов;

возможность хранения датчика в складских помещениях не менее десяти лет;

обеспечение заданного предела измерения должно осуществляться в пределах единого конструктивного оформления датчика с максимально возможной унификацией деталей и размеров;

воздействия относительной влажности составляет 95% при температуре +35 °С.

1.2     Анализ требований технического задания

Требования технического задания накладывают определённые ограничения на конструкцию, параметры и методы преобразования разработанного датчика. Так, требования работоспособности датчика при воздействии вибрации предопределяет либо проектирование датчика с высокой собственной частотой, лежащей за пределом частотного диапазона, либо введение демпфирования. То же самое можно сказать и о линейных перегрузках. Исключить влияние температуры на преобразование можно увеличением чувствительности к измеряемой величине и уменьшении чувствительности к дестабилизирующему фактору, каким является температура. Применением дифференциальных преобразователей, либо включением в измерительную цепь специальных термокомпенсационных элементов. В терморезисторных датчиках для уменьшения влияния температуры на преобразование желательно исключить промежуточный слой - клей.

Однако, в нашем случае это невозможно, поскольку пределы измерения высокие, а, следовательно, упругий элемент будет больших габаритных размеров.

Работа при воздействии повышенной влажности окружающей среды предопределяет конструирование датчика с герметизированным корпусом, выбор соответствующих материалов и покрытий.

По условию технического задания основная погрешность измерения датчика не должна превышать 1.5%. Она зависит от ряда факторов, которые влияют на физические свойства и параметры отдельных звеньев цепи преобразования измеряемой величины. К ним относятся вибрации, температура, напряжение питания, материал упругого элемента.

Для уменьшения погрешности от напряжения питания следует применять стабилизированные источники питания.

Составляющими основной погрешности также являются погрешности от нелинейности и гистерезиса, эффективными мерами уменьшения которых являются применение дифференциальных преобразователей, ограничение рабочего диапазона, правильный выбор материала УЭ, материала и конструкции тензорезисторов, технологии их изготовления.

Важными являются также и ряд других вопросов, сформулированных в техническом задании и требующих обоснованного выбора конструкции УЭ. При изменении формы УЭ также меняется функция преобразования датчика.

Так как задачей разработки является датчик силы, требования к его массе не критичны и полностью зависят от номинальной измеряемой силы.

.3 Анализ методов преобразования силы и выбор метода преобразования

Существует многочисленное количество методов преобразования силы в электрический сигнал.

Существуют емкостные преобразователи, представляющие собой конденсатор с изменяющимся зазором между его обкладками и, следовательно, с изменяемой емкостью. Электромагнитные преобразователи, состоящие из одного или нескольких контуров находящихся в магнитном поле, созданным либо током, проходящим по этим контурам, либо внешними источниками.

Однако наибольшее распространение получили тензорезисторные преобразователи, основанные на изменении сопротивления проводника при его деформации. Эти преобразователи дают возможность построения измерителей силы широких диапазонов, поэтому остановимся на данном типе преобразователей.

.4 Анализ существующих датчиков и выбор прототипа

ТДС общепромышленного применения разрабатывают и выпускают фирмы Германии, США, Великобритании, Швейцарии, Швеции, Франции, Финляндии, Японии, Канады, Венгрии.

Большое количество типов и типоразмеров датчик обусловлено разнообразие задач, связанных с автоматизацией измерения сил и масс в устройствах весовой и испытательной техники. Например, фирма НВМ (Германия) выпускает датчики типов Z 6H2, Z 7A, GF H2 различной конструкции для различных весовых устройств, Z12 - для испытательных машин с местами крепления, обеспечивающими работу при усталостных испытаниях, отличающихся конструкцией присоединённых узлов встройки. Другие типы датчиков отличаются конструкцией по назначению: для измерения сил растяжения - Z4, Z3 H2; сжатия С1, С2, С6; растяжения и сжатия (универсальные) - типов U1, U2A применяемые как в весовых устройствам, так и в испытательных машинах.

Широкий диапазон измеряемых сил одной конструкции датчика возможен при увеличении количества типоразмеров, например, датчики типа U1 фирмы НВМ имеют 15 типоразмеров по нагрузкам, та же фирма изготавливает специальные малогабаритные датчики для измерения статических и динамических усилий сжатия.

Фирма Schenck Carl F/G/ изготавливает ТДС для использования в бункерных, фасовочных, крановых, ковшовых весах, во взвешивающих устройствах, в машинах, в рольганговых весах и др.

ТДС выпускаются на широкий диапазон нагрузок от 0,5 кг до 5000 кН. Метрология датчик определяется составляющими погрешности: нелинейностью, гистерезисом; несходимостью показаний; температурными изменениями начального сигнала и рабочего коэффициента передачи или суммарными группами, объединяющими в одних случаях нелинейность и гистерезис, несходимость, например, у датчиков фирмы Schenck.

В таблице 1 представлены минимальные величины этих составляющих для отдельных типов датчиков без указания их наименования, что позволяет судить об уровне зарубежных фирм в повышении точности датчиков. При этом наименьшая величина и наибольший разброс погрешности по типам имеют датчики, выпускаемые фирмой НВМ.

Таблица 1

В таблице 1 помещены обобщённые данные по ТДС. Для анализа развития датчиков по данным таблицы выбраны 11 ведущих фирм. Критерием выбора были приняты наименьшая погрешность, отношения типоразмеров к количеству типов датчиков, выпускаемых фирмой. Величина показателя характеризует возможности унификации. Это значит, что чем больше показатель, тем больше типоразмеров перекрывается одной конструкцией, то есть квалифицированнее и лучше выполнена последняя. Была учтена величина диапазона между максимальной и минимальной величиной номинальных нагрузок датчиков, выпускаемых фирмой, которая характеризует величину диапазона и область применения ТДС.

Основной ведущей зарубежной фирмой по производству ТДС является фирма НВМ, которая выпускает датчики с минимальной погрешностью, максимальным количеством типов и диапазоном минимальных нагрузок. /8/

Фирма Instron (Великобритания) является одной из ведущих в области производства испытательной техники и ТДС для испытательных машин.

Фирма НВМ поставляет на внешний рынок около 19 типов ТДС, охватывающих 154 типоразмера на растяжение, сжатие, универсальные с различными элементами приложения нагрузки. Диапазон измеряемых нагрузок 0,005-10000 кН- на сжатие. Рабочий коэффициент передачи (РКП) при номинальной нагрузке 2 мВ/В. Датчики типов U1, U2 являются универсальными, их метрологические характеристики нормируются отдельно на растяжение и сжатие, влияние перехода через нуль не учитываются.

Датчики фирмы НВМ имеют высокие метрологические характеристики, основной из которых является комбинированная погрешность, включающая в себя составляющие нелинейности и гистерезиса. Наивысшую точность имеют датчики типа Z4 на номинальные нагрузки 20-500 кН для измерения растягивающих усилий комбинированной погрешностью 0,02% и неповторяемостью показаний менее 0,01%. Датчики этого типа могут использоваться при испытаниях материалов в испытательных машинах, в весовых устройствах, имеющих мало место для встройки. Температурная погрешность у датчиков этого типа наименьшая. Изменение номинального коэффициента передачи (НКП) (уход нуля) на 10°С не превышает 0,015%, а изменение РКП не более 0,01 процента в температурной диапазоне -10…+70°С. У остальных датчиков фирмы НВМ комбинированная погрешность колеблется у различных типов от 0,02 до 0,05 процента.

Величина осадки датчика фирмы НВМ находится в пределах 0,07 (типа С6 на 200 кН) до 0,55 (тип С4 на 20 кН, тип Z6-2 и Z6-4 на 0,05 кН). Осадка датчика зависит от его конструкции и величины номинальной нагрузки.

Фирма Interface (США) выпускает 30 типоразмеров четырёх типов датчиков, которые перекрывают нагрузки 0,22-45 кН. Температурный диапазон компенсаций от минус 18 до плюс 66 °С, в котором погрешности температурного изменения НКП и РКП составляют по 0,02 процента на 10 °С каждая. допускается работа датчиков в диапазоне от минус 65 °С до плюс 90 °С с негарактируемой погрешностью. Основные метрологические характеристики описываются тремя составляющими погрешности: нелинейностью 0,02-0,05 процента; гистерезисом 0,02 процента и несходимостью 0,01-0,02 процента.