Курсовая работа (т): Прибор для измерения линейных перемещений

Прибор для измерения линейных перемещений

Прибор для измерения линейных перемещений

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Обзор первичных измерительных преобразователей

1.2 Обзор измерительных цепей

2. Выбор и обоснование направления проектирования

2.1 Выбор измерительного преобразователя

2.2 Выбор измерительной цепи

3. Выбор и расчет структурной схемы

3.1 Расчёт измерительного преобразователя

3.2 Расчет функциональной схемы

4. Выбор отсчетного устройства

5. Анализ метрологических характеристик

Заключение

Список использованных источников

Исходные данные

1.       Диапазон измерения, 0 - 5 мм;

2.       Допустимая основная погрешность не более, % 0,5

.        Питание прибора от сети переменного тока напряжением (220±22) В, частотой (50±0,5) Гц

.        Диапазон рабочих температур: (-20÷ +30)°С.

Содержание работы:

Пояснительная записка.

Техническое задание на проектирование датчика линейных перемещений.

Область применения.

Датчик линейного перемещения относится к области измерительной техники, в частности к технике определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта.

Назначение.

Датчик линейного перемещения предназначен для преобразования линейных перемещений объекта измерения в электрический сигнал (пропорциональный, аналоговый или цифровой).

Технические требования

.1 Показатели назначения изделия

.1.1 Пределы измерения

Диапазон рабочих температур - 20°С - +30°

Диапазон измерения 0 - 5 мм;

.1.2 Основная погрешность измерений: не более 0,5%

.2 Условия эксплуатации

.2.1 Нормальные условия:

Температура окружающей среды (20±5) *С

Давление (750-762 мм. рт. ст)

Влажность (60-80) %

.2.2 Рабочие условия:

Питание прибора от сети переменного тока напряжением (220+/-22 В)

Частота (50+/-0,5 Гц)

Влажность (30-80%)

Давление (740-770 мм. рт. ст)

датчик перемещение измерительный преобразователь

Реферат

Курсовая работа состоит из 40 страниц, пояснительной записки, 22 рисунков.

Ключевые слова: измерительный преобразователь, измерительная цепь, источник питания, ёмкость, погрешность.

В работе разработан прибор для измерения перемещения от 0 до 5 мм класса точности 0,5.

Вывод информации осуществляется на вольтметр.

Введение

Измерения - единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические явления или процессы. Поэтому развитие науки и техники на современном этапе немыслимо без применения измерений. Они необходимы при проведении исследований, разработки новых машин, механизмов, аппаратов, а также непосредственном осуществление сложных производственных процессов в современной промышленности.

Современная практика требует измерений множества физических величин, подавляющее большинство которых в процессе измерений преобразуется в электрические величины и измеряется методами и средствами электрических измерений. При этом число подлежащих измерению механических, тепловых, химических, оптических или акустических величин, т.е. так называемых неэлектрических величин, интересующих науку и производство, во много раз больше числа всех возможных электрических и магнитных величин. Поэтому измерение неэлектрических величин достигло сейчас высокого развития и образует наиболее крупную область современной электроизмерительной техники, а производство приборов для измерения различных неэлектрических величин составляет основную часть приборостроительной промышленности. Смысл действия всех электроизмерительных приборов в конечном итоге заключается в том, что с их помощью измеряемая величина преобразуется в определенное механическое перемещение указателя или электрический сигнал, который может быть воспринят с необходимой достоверностью. Подобно этому строятся многие измерительные приборы.

Однако развитие измерительной техники показало, что наиболее удобным является такое преобразование различных измеряемых величин, результат которого представлен не в виде механического перемещения, а в виде электрической величины. Тогда для всех последующих операций, будь то передача, регистрация, математическая обработка или управление, может быть использована стандартная электрическая аппаратура.

В современных условиях, когда измерительная информация от приборов непосредственно поступает в автоматически управляющее устройства, господствующее положение при измерении любых физических величин заняли электрические средства измерений благодаря присущим им, следующим преимуществам.

.        Исключительная простота изменения чувствительности приборов в широком диапазоне значений измеряемой величины, т.е. широкий амплитудный диапазон. Использование электроники позволяет в тысячи раз усиливать электрические сигналы, следовательно, в такое же число раз усиливать чувствительность аппаратуры. Благодаря этому электрическими методами можно измерять такие величины, которые другими методами вообще не могут быть измерены.

2.       Весьма малая инерционность электрической аппаратуры, т.е. широкий частотный диапазон. Это дает возможность измерять как медленно меняющиеся, так и весьма быстро меняющиеся во времени величины.

.        Возможность измерения на расстоянии, в недоступных местах, возможность централизации и одновременности измерения многочисленных и различных по своей природе величин, т.е. возможность создания комплексных информационно-измерительных систем, возможность передачи результатов измерения на большие расстояния, математической обработки этих результатов и использования их для управления (создания управляющих систем).

.        Возможность комплектования измерительных и обслуживаемых ими автоматических систем из блоков однотипной электрической аппаратуры.

1. Обзор литературы

Датчик перемещения - это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Разумеется, подобные приборы имеют колоссальное количество практических применений в самых разнообразных областях, поэтому существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам. Следует сразу отметить, что все датчики перемещения можно разделить на две основных категории - датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения <#"902744.files/image001.gif">

Рисунок 1 - Устройство емкостного датчика

Емкocтной бecконтакный датчик функционирует следующим образом:

Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом.

Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.

Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.

Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.

Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособности, оперативность настройки.

Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.

Активная поверхность емкостного бесконтактного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можно представить как обкладки "развернутого" конденсатора (см. рисунок 1). Электроды включены в цепь обратной связи высокочастотного автогенератора, настроенного таким образом, что при отсутствии объекта вблизи активной поверхности он не генерирует. При приближении к активной поверхности емкостного бесконтактного датчика объект попадает в электрическое поле и изменяет емкость обратной связи. Генератор начинает вырабатывать колебания, амплитуда которых возрастает по мере приближения объекта. Амплитуда оценивается последующей схемой обработки, формирующей выходной сигнал.

В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь ёмкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идёт об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия (рисунок 1.1). Поскольку ёмкость конденсатора изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами, определение ёмкости при прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами. Изменение ёмкости можно зафиксировать различными способами (например, измеряя его импеданс), однако в любом случае конденсатор необходимо включить в электрическую цепь.

Рисунок 1.1 - Емкостной датчик линейного перемещения с изменяющейся величиной зазора.

Другой схемой, где выходным параметром является электрическая ёмкость, является схема, содержащая конденсатор с подвижным диэлектриком (Рисунок 1.2). Перемещение диэлектрической пластины между обкладками конденсатора также приводит к изменению его ёмкости. Пластина может быть механически связана с интересующим объектом, и в этом случае изменение ёмкости свидетельствует о перемещении объекта. Кроме того, если сам объект обладает свойствами диэлектрика и имеет подходящие габариты - он может быть использован непосредственно в качестве диэлектрической среды в конденсаторе.

Рисунок 1.2 - Емкостной датчик линейного перемещения с подвижным диэлектриком.

В основу принципа действия могут быть положены:

. Изменение расстояния между обкладкам (Рисунок 1.3 а);

Емкость такого датчика, пренебрегая краевыми эффектами, равна:

С = ε ε₀ А/х

Недостаток данной конструкции: уравнение преобразования ЕИП перемещения, основанного на изменении расстояния между электродами, имеет нелинейную (гиперболическую) функцию преобразования

. Изменение площади перекрытия обкладок (Рисунок 1.3 б); Преобразователь с изменяющейся площадью пластин может быть выполнен в виде плоского конденсатора, уравнение преобразования которого

С (х) = ε ₀bx/d.

По сравнению с предыдущей конструкцией датчик имеет линейную зависимость от х. Реально линейная зависимость искажается из-за краевого эффекта.

Обычно этот тип преобразователя реализуется или в виде конденсатора с цилиндрическими электродами, или в виде поворотного конденсатора для измерения угловых перемещений.

. Изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика или его части (Рисунок.1.3 в, г) [3,4].

ЕИП с изменением положения диэлектрика имеет функцию преобразования

С (х) = С₀ [1+х/а (ε _г - 1)]

где С₀ = С (0) = + ε₀ ab/d.

Этот преобразователь имеет линейную функцию преобразования. Чаще всего он выполняется с цилиндрическими электродами и используется для измерения уровня неэлектропроводной жидкости в резервуаре. Непроводящая жидкость играет роль диэлектрика.

К достоинствам емкостных ИП можно отнести:. Принципиальное отсутствие шумов;. Отсутствие самонагрева;. Простоту конструкции, малую массу и габариты;. Возможность соответствующим выбором формы подвижного и неподвижного электродов получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным линейным или угловым перемещением (в преобразователях с переменной площадью перекрытия электродов);. Малую силу притяжения электродов;. Возможность применения как для статических, так и для динамических измерений.

Недостатками емкостных преобразователей являются:. Малая емкость и высокое выходное сопротивление преобразователя;. Зависимость результата измерения от изменения емкости кабеля.

Рисунок 1.3 - Емкостные ИП: а) с изменяющимся расстоянием между обкладкам; б) с изменяющейся площадью перекрытия обкладок; в) с изменяющейся диэлектрической проницаемости диэлектрика.

К погрешностям емкостных ИП можно отнести:. Погрешности, обусловленные зависимостью емкости от внешних условий;. Погрешность, обусловленную паразитными токами утечки.. Погрешность, обусловленную влиянием паразитных емкостей между электродами и заземленными деталями конструкции, между жилой соединительного кабеля и его заземленным экраном.

1.1.1 Оптические датчики перемещения

Существует множество вариаций схем датчиков перемещения, основанных на различных оптических эффектах. Пожалуй, наиболее популярной является схема оптической триангуляции - датчик положения является, по сути, дальномером, который определяет расстояние до интересующего объекта, фиксируя рассеянное поверхностью объекта излучение и определяя угол отражения, что даёт возможность определить длину (Рисунок 1.4). Важным достоинством большинства оптических датчиков является возможность производить бесконтактные измерения, кроме того такие датчики обычно довольно точны и имеют высокое быстродействие.

Рисунок 1.4 - Оптический датчик перемещения на основе схему оптической триангуляции.

В другой реализации оптического датчика, предназначенной для регистрации и определения параметров малых перемещений и вибраций, используется двойная решётчатая конструкция, а также источник света и фотодетектор (рисунок 1.5).

Одна решётка неподвижна, вторая подвижна и может быть механически закреплена на интересующем объекте или каким-либо способом передавать датчику его движение. Малое смещение подвижной решётки приводит к изменению интенсивности света, регистрируемой фотодетектором, причём с уменьшением периода решётки точность датчика возрастает, однако сужается его динамический диапазон.

Рисунок 1.5 - Оптический датчик перемещения на основе дифракционных решеток.

Дополнительными возможностями применения обладают оптические датчики, учитывающие поляризацию света. В таких датчиках может быть реализован алгоритм селекции объектов по отражательным свойствам поверхности, т.е. датчик может "обращать внимание" только на объекты с хорошей отражающей способностью, прочие объекты игнорируются. Разумеется, чувствительность к поляризации негативно сказывается на стоимости подобных устройств.

1.1.2 Индуктивные датчики перемещения

В одной из конфигураций датчика данного типа чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника, что вызывает изменение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками трансформатора (рисунок 1.6). Поскольку амплитуда сигнала во вторичной обмотке зависит от потокосцепления, по величине амплитуды вторичной обмотки можно судить о положении сердечника, а значит и о положении внешнего объекта.

Рисунок 1.6 - Индуктивный датчик перемещения на трансформаторе.

Другая конфигурация имеет более простую схему, однако она пригодна лишь для небольшого количества приложений, где требуется определять незначительные перемещения или вибрации объектов, состоящих из ферромагнитного материала. В данной схеме интересующий ферромагнитный объект играет роль магнитопровода, положение которого влияет на индуктивность измерительной катушки (рисунок 1.7).