Курсовая работа (т): Прибор для измерения линейных перемещений

принципиальное отсутствие шумов, в отличие от резистивных и индуктивных ИП;

отсутствие самонагрева;

простота конструкции;

малая масса 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);

малая сила притяжения электродов;

возможность применения, как для статических, так и для динамических измерений;

малая зависимость от температуры окружающей среды (важным техническим требованием проектируемого прибора является достаточно широкий диапазон изменения температуры);

2.2 Выбор измерительной цепи

В результате анализа измерительных цепей, обзор которых приведен в разделе 2.1, выбрана схема, приведенная на рис 2.2 Измерительная цепь представляет собой ёмкостной делитель напряжения на операционном усилителе (рис.2.2). Датчик подключен к отрицательному входу операционного усилителя, на рисунке 2.2 датчик обозначен С1. Преимуществом является простота конструкции и малые значения паразитных ёмкостей. Выходное напряжение U_ВЫХ = U_~C1/C2.

Рисунок 2.2 - Схема преобразователя емкости в напряжения.

3. Выбор и расчет структурной схемы

Выбор структурной схемы прибора во многом обусловлен выбором ПИП и измерительной цепи, их чувствительностью, значением величины выходного сигнала, диапазоном изменения выходного сигнала. Структурная схема прибора представлена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 - структурная схема: Д - датчик; ИЦ - измерительная цепь; ОУ - отсчетное устройство.

При последовательном соединении блоков измеряемая неэлектрическая величина X (линейное перемещение) с коэффициентом преобразования S_Д преобразуется емкостным датчиком в электрическую У₁. Сигнал с выхода датчика подается на вход преобразователя ИЦ, который преобразует величину У₁ в сигнал У₂, информативным параметром которого является величина напряжения, измеряемая с помощью отсчетного устройства (вольтметра), шкала которого градуируется в единицах измеряемой величины (линейного перемещения).

Таким образом, уравнение преобразования прибора имеет вид

= S_Д * S_ИЦ * Х = S_ОБЩ * Х

Выходной величиной Y является положение указателя отсчетного устройства измерительного прибора (цифрового вольтметра).

Рассчитаем чувствительность измерительной цепи S_ИЦ.

Пусть изменение длины площади перекрытия пластин конденсатора на 5мм будет вызывать отклонение стрелки вольтметра на 5 В. Тогда S_ОБЩ =1 В/мм.

Так как S_ОБЩ = S_ИЦ ∙ S_Д,

то справедливо: S_ИЦ = S_ОБЩ / S_Д =1/0,32∙10^-9 =3,125∙10⁹ В/Ф_ВЫХ = S_ИЦ ∙ С = 3,125∙10⁹ ∙ 1,6 ∙10^-12 = 5В

Общий коэффициент передачи:

_ОБЩ = S₁ ∙ S₂ = 10ⁿ

S_ОБЩ = S_ИЦ ∙ S_Д = 3,125∙10⁹ ∙ 0,32∙10^-9 = 1 В/мм

3.1 Расчёт измерительного преобразователя

Рассчитаем коэффициент передачи датчика:

С (х) = = 8,85∙10^-12 ∙ 4 ∙ 10^-3 ∙ 5∙10^-3/110 ∙10^-6 = 1,6 ∙ 10^-12 = 1,6 пФд = = 1,6 ∙ 10^-12/5 ∙ 10^-3 = 0,32∙10^-9 Ф/мм

Построим график зависимости емкости датчика от перемещения (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Зависимости емкости датчика от перемещения.

3.2 Расчет функциональной схемы

Выходное напряжение выбранной измерительной цепи вычисляется по формуле:

_ВЫХ = U₀∙C1/C2

где С1 - это ёмкостной преобразователь выбранный в пункте 2.1; С2 это конденсатор постоянной ёмкости. U₀ - напряжение питания измерительной цепи. При расчёте структурной схемы в пункте 3 максимально выходное напряжение измерительной цепи приняли равным U_ВЫХ = 5 В, а чувствительность измерительной цепи S_ИЦ =3,125∙10⁹ В/Ф. Изменение емкости датчика будет происходить в пределах от 0 до 1,6 пФ^. Приняв U₀ = 10 В рассчитаем С2:

С2 = U₀C1/ U_ВЫХ = 10 ∙1,6 ∙10^-12/5 = 3,2 ∙10^-12 = 3,2 пФ

Конденсатор С2 выбираем S0603 NPO 3.3pF 0.1% 50V SAM, данный конденсатор полностью соответствует заданной погрешности [2].

Операционный усилитель К140УД13 полностью соответствует данным требованием. К основным характеристикам операционного усилителя относятся высокое входное сопротивление, более 100МОм, невысокая потребляемая мощность, 40мВт, и высокая точность преобразования, погрешность не превышает 0,2%.

Выберем источник питания с выходным напряжением 10 В. Подходящий по показателям прибор - источник постоянного напряжения ESW120K1U12T, который предназначен для электропитания радиоэлектронных устройств.

Основные технические характеристики: выходное напряжение 10В; ток нагрузки 0,5-10А; нестабильность выходного напряжения менее 0,1% при изменении напряжения сети на 10%; питание от сети переменного тока частотой 50±0,5 Гц, напряжением 22022.

Выбранные параметры измерительной цепи удовлетворяют установленной на нее погрешности.

Произведем градуировку шкалы прибора, для этого подставляем в уравнение преобразования электрической цепи каждое значение изменения линейного перемещения на 0,5мм, начиная с 0мм и заканчивая 5мм. Полученные значения занесены в (таблицу 2). По значениям таблицы построим график зависимости выходного напряжения от перемещения (рисунок 3.3).

_ВЫХ = U₀C1/C2 = U₀ ∙;

Рисунок 3.3 - Зависимости выходного напряжения от перемещения

4. Выбор отсчетного устройства

В качестве отсчетного устройства используется вольтметр переменного тока В3-63. Прибор предназначен для измерения напряжения в цепях переменного тока.

Технические характеристики вольтметра:

Класс точности 0,05%

Пределы измерения 5 В

Погрешность измерения ±0,05%

Габаритные размеры 251 × 91 × 291 мм

Масса 2,6 кг

5. Анализ метрологических характеристик

Рисунок 5.1 - Измерительная схема.

Проверка соответствия функциональной схемы предъявленным требованиям.

Для вторичного преобразователя, роль которого играет измерительная цепь:

_ВЫХ = U₀∙C1/C2_ВЫХ = S_ИЦ ∙ С = 3,125∙10⁹ ∙ 1,6 ∙10^-12 = 5В_ИЦ = 1/0,32∙10^-9 =3,125∙10⁹ В/Ф_ОБЩ = 3,125∙10⁹ ∙ 0,32∙10^-9 = 1 В/мм

где S_{ИЦ -} коэффициент передачи измерительной цепи

Проверка соответствия погрешностей предъявленным требованиям.

Основная приведенная погрешность δ = 0,5%. Она состоит из погрешности датчика, измерительной цепи и отсчетного устройства (вольтметра). В свою очередь погрешность измерительной цепи состоит из погрешности источника напряжения, датчика (С₁), конденсатора С₂.

δ = δ _Д + δ _ИЦ + δ _ОУ = 0,5%

δ _Д = 0,2%

δ _ИЦ= 0,2%

δ _ОУ = 0,1%

= δ U + δС₁ + δ С₂

δ _Ц = δ U + δ С₂ = 0,2%

δ U = 0,1%

δ С₂ = 0,1%

Расчет суммарной погрешности измерительного устройства.

При проектировании устройства получены следующие погрешности: Датчик: γ_Д = 0,2% Измерительной цепи: γ_ИЦ =0,2%. Вольтметра: γ_ОУ =0,05%.

Общая приведенная погрешность составляем:

γ_ПР = γ_Д + γ_ИЦ + γ_ОУ = 0,45%

Это значение удовлетворяет техническому требованию 0,5%.

Заключение

В данной курсовой работе, следуя условиям технического задания, был рассчитан механизм работы измерительного преобразователя для измерения перемещения.

Данный прибор представляет качественную и удобную для практического использования аналоговую структуру.

При этом осуществлён выбор конструкции и расчёт преобразователя перемещения в сопротивление, выбор и расчёт измерительной цепи, выбор источника напряжения и вольтметра прибора.

Список использованных источников

1.       Спектор, С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Учеб. пособие для вузов / С.А. Спектор, Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд., 1987. - 320 с.

2.       Федотов, А.Ф. Расчет и проектирование индуктивных датчиков перемещений.

.        Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений:: Учеб. пособие - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. - 88 с.

.        Евтихиев, Н.Н. Измерение электрических и не электрических величин: Учебное пособие для вузов/Н.Н. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, Ф.М. Папуловский, М.: Энергоатомиздат. 1990. - 352 с.

.        Виглеб Г. Датчики: устройство и применение: Пер. с нем. М.: Мир, 1989. - 196 с.

.        Левшина, Е.С. Электрические измерения физических величин: Измерительные преобразователи. Учеб. пособие для вузов/ Е.С. Левшина, П.В. Новицкий, Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1983. - 320 с.

.        Справочник по электротехническим материалам/ Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - Т.3. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд., 1988. - 728 с

.        Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред.И. И. Четверткова и В.М. Терехова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.

.        Справочник по электроизмерительным приборам / К.К. Илюнин, Д.И. Леонтьев, Л.И. Набебина и др.; Под ред.К. К. Илюнина. - 3-е изд. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд., 1983. - 784 с.

.        Курсовое и дипломное проектирование: Метод, указ. для студентов специальности 190900 "Информационно-измерительная техника и технологии" / Бирюков С.В. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 1998. - 40 с.