Заглавная страница
Избранные статьи
Случайная статья
Познавательные статьи
Новые добавления
Обратная связь

ТОП 10 на сайте

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Техника нижней прямой подачи мяча.

Франко-прусская война (причины и последствия)

Организация работы процедурного кабинета

Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний

Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Обработка изделий медицинского назначения многократного применения

Образцы текста публицистического стиля

Четыре типа изменения баланса

Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву

Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Влияние общества на человека

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Практические работы по географии для 6 класса

Организация работы процедурного кабинета

Изменения в неживой природе осенью

Уборка процедурного кабинета

Сольфеджио. Все правила по сольфеджио

Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

Главная Избранные Случайная статья Познавательные Новые добавления Обратная связь FAQ

Лекция 1. Назначение, функции и свойства информационных систем

Стр 1 из 12Следующая ⇒

Лекция 1. Назначение, функции и свойства информационных систем

План лекции

- Назначение информационных систем;

- Преобразование информации при управлении процессами;

- Классификация информационных систем;

- Информационно-измерительные системы (ИИС);

- Первичные средства получения информации.

Принцип действия

Физическая величина

Давление

Усилие

Положение (в пространстве без механ. связи)

Перемещение

Скорость (линейная)

Ускорение

Вибрация

Близость (без механ. связи)

Температура

Состав и раздел сред

Обороты

Деформация

Координаты точки (без механ. связи)

Угловая скорость

Пространств. углы

Углы скольжен. и атаки

Влажность

Расход

Ёмкостный

Пьезоэлектрический

Дифференциально-трансформаторный (индуктивный)

Контактная разность потенциалов

Тензорезистивный

Потенциометрический

Токовихревой

Термисторный

Эффект Холла

Пъезорезистивный

Анизотропия и свет

Магниторезистивный

Поверхностные акустические волны

Пъезорезонансный, резонансный

Индукционный

Эффект Кориолиса

Эффект Виганда

Эффект Матусси

Z эффект в полупров. p- n структурах

Эффект Виллари

Туннельный эффект

Примечание: «+» - используется; «++» - использование предпочтительно; «-» - использование нецелесообразно

Лекция 2. Резистивные и емкостные датчики положения

План лекции

- Общие сведения о датчиках положения и перемещения;

- Характеристики резистивных датчиков

- Конструктивные особенности резистивных датчиков;

- Емкостные преобразователи;

Емкостные преобразователи

Емкостные датчики линейных и угловых перемещений являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах.

Емкостные датчики представляют собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости.

Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками;

ε₀ = 8,854⋅10^–12 Ф/м — диэлектрическая постоянная (абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума);

S и d – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.

Для цилиндрического конденсатора справедливо следующее выражение:

где D l – глубина погружения внутреннего цилиндра радиусом во внешний радиуса .

Емкостные датчики положения замечательны своей простотой. Диэлектриком обычно служит воздух, так что параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов.

В ёмкостных преобразователях перемещение связано с изменением ёмкости конденсатора. Различают три типа емкостных преобразователей:

- с изменяемым зазором;

- изменяемой площадью взаимного перекрытия пластин конденсатора;

- с изменяемой диэлектрической проницаемостью.

Схемы емкостных чувствительных элементов представлены на рисунке 2.5.

а, б- с изменяемыми зазорами; в, г, д, е, ж- с изменяемой площадью

Рисунок 2.5 Схемы емкостных чувствительных элементов

На рисунке 2.5, а) показана схема преобразователя с одной подвижной пластиной 1 и одной неподвижной 2 пластиной. Зависимость ёмкости С от величины перемещения x имеет гиперболический характер. Чувствительность сильно уменьшается с увеличением зазора. Преобразователи с изменяемой площадью перекрытия пластин применяются для измерения больших линейных перемещений (10 мм. и более), эта схема показана на рисунке 2.5 в). Схема для измерения угловых перемещений приведена на рисунках 2.5, д, е, ж. Емкостной измеритель c изменяемой диэлектрической проницаемостью применяется в качестве уровнемера, например воды в баке. Поскольку диэлектрическая проницаемость воды в несколько раз больше диэлектрической проницаемости воздуха, то ёмкость конденсатора увеличивается при заполнении бака. К достоинствам емкостных преобразователей следует отнести их простоту, малые габариты и массу. К недостаткам малый уровень выходного сигнала необходимость питания напряжением высокой частоты, защиты от паразитных помех и т.д.

Растровые датчики

Растровое сопряжение получается наложением растровых решеток с малым постоянным зазором между ними (рисунок 3.4). При этом, штрихи одной решетки накладываются на штрихи другой, уменьшая площадь прозрачных участков сопряжения. Один из примеров растрового сопряжения показан на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Пример растрового сопряжения

В соответствии со вторым признаком различают растры, формируемые параллельными, сеточными, радиальными, кольцевыми и спиральными оптическими структурами. Для измерения линейных перемещений обычно используются сопряжение двух плоских параллельных растров, а для измерения угловых - сопряжение радиальных растров.

На рисунке 3.5 приведены некоторые схемы сочетаний растровых решеток, используемых в фотоэлектрических преобразователях.

Рисунок 3.5 – Схемы сопряжений элементов в фотоэлектрических преобразователях с решетками

Растровое сопряжение, представленное на рисунке 3.5, а)состоит из подвижного измерительного растра 2, связанного с измерительным наконечником, и индикаторного (сканирующего) растра 5, который закреплен неподвижно. Растры представляют собой стеклянные линейки с равномерно нанесенными штрихами толщиной bи шагом h. Ширина штриха b, как правило, равна ширине зрачка a, т. е. b = a, a h = а+ b. Длина измерительного растра должна быть больше диапазона измерения. Индикаторный растр выполняется намного короче с параметрами a, b и h, равными, как правило, измерительному растру. От осветителя 1, через измерительный 2и индикаторный 5 растры и оптическую систему 3 световой поток направляется на фотоприемник 4. При перемещении измерительного растра относительно индикаторного наблюдается чередование темных и светлых полос, воспринимаемых фотоприемником, на выходе которого формируется сигнал в виде псевдосинусоиды.

В кодирующих соединениях (рисунок 3.5, б) кодовая решетка 2представляет собой комбинацию светлых и темных участков на различных дорожках 4кодовой решетки 2. Кодовая шкала наносится на прозрачном материале. От осветителя 1световой поток направляется через диафрагму 5 и кодовую перемещающуюся решетку 2на фотоприемник 3. В определенном положении решетки 2перед щелью диафрагмы оказывается определенное число затемненных и прозрачных участков различных дорожек 4. в двоичной системе счисления, например, непрозрачные участки соответствуют числу 0, прозрачные участки — числу 1. При этом для получения n -разрядного числа необходимо иметь п кодовых дорожек. Тогда наибольшее число выходных сигналов с фотоприемников равно 2ⁿ - 1. На рисунке 3.5, б)представлено четыре дорожки. Каждая дорожка младшего разряда имеет шаг, в два раза меньший по сравнению с предыдущим разрядом.

Измерения массы

Процесс измерения массы относится к числу косвенных. Это связано с тем, что массу находят путем измерения веса тела; объема и плотности вещества тела; ускорения, сообщаемого телу определенной силой; периода колебаний тела.

Последние два способа применяют очень редко.

Процесс измерения массы путем измерения веса называется взвешиванием, а приборы весами.

Весы условно можно разделить на механические и электромеханические. К механическим весам относятся рычажные, пружинные и гидравлические приборы, а к электромеханическим тензометрические, индуктивные, частотные и т.д. по типу датчиков.

При взвешивании на рычажных равноплечных весах, когда на одной чашке находится тело массой , а на другой – гири массой измерение является прямым и массу тела определяют непосредственно по массе гирь.

Возможен вариант, при котором взвешивание производится гирями меньшей массы, но только с использованием неравноплечных весов.

Результаты взвешивания на рычажных весах не зависят от места нахождения весов на поверхности Земли. Если груз взвешен на рычажных весах на экваторе, а затем груз и гири перенесены на полюс, то и груз и гири изменяют свой вес одинаково, и взвешивание на полюсе даст тот же результат, что и на экваторе.

В случае взвешивания на пружинных весах вес тела воздействует на пружину, деформация которой через зубчатую рейку и колесо передается на стрелку. Очевидно, что показания таких весов будут зависеть от места измерения т.к. деформация пружины будет зависеть от g.

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики динамических величин представляют собой преобразователи электрической энергии в механическую (и наоборот). Основу пьезоэлектрических ДДВ составляют один или несколько пьезоэлектрических ЧЭ - пьезоэлементов, электрически и механически связанных между собой в измерительную схему. Каждый пьезоэлемент выполнен в виде кварцевой или керамической пластины и является совмещенным ЧЭ генераторного типа, способным накапливать электрическую энергию. Поэтому при построении измерительных цепей широко применяют схемы последовательного и параллельного соединения пьезоэлементов. При последовательном соединении пьезоэлементов (рисунок 5.2, а) увеличивается напряжение в цепи, а суммарная емкость уменьшается пропорционально их числу; при параллельном соединении пьезоэлементов (рисунок 5.2, б) увеличиваются и накопленный заряд и емкость.

а, б – схемы последовательного и параллельного соединения ЧЭ;

в - простой пьезодатчик; г – пьезотрансформатор

Рисунок 5.2 – Пьезоэлектрические ДДВ

Такая схема подобна зарядовой батарее. Пьезоэлемент, как и конденсатор измеряет переменные внешние воздействия. В то же время, используя зарядовые усилители и другие специальные схемы, можно измерять и квазистатические нагрузки. Функция преобразования пьезоэлектрического ДДВ в общем случае имеет вид:

или в первом приближении:

где I - ток, протекающий через пьезоэлемент;

Q заряд пьезоэлемента;

k – константа;

Kп - коэффициент преобразования;

F - внешняя сила.

Пьезоэффект имеет обратимый характер. Поэтому различают механоэлектрические ДДВ (прямой пьезоэффект), электромеханические (обратный пьезоэффект), а также преобразователи, принцип действия которых основан как на прямом, так и на обратном пьезоэффекте. Первые (рисунок 5.2, в) применяют в приборах для измерения силы, давления, ускорения; вторые - используют в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в пьезоэлектрических реле, исполнительных элементах автоматических систем и др., третьи - в качестве пьезо - резонаторов и трансформаторов, а также узкополосных фильтров (рисунок 5.2, г).

Для датчиков силы, верхний предел измерений определяется площадью нагружаемой поверхности и для промышленных образцов составляет ±(2 …. 200) кН. Для датчиков силы, основанных на пьезоэффекте характерна высокая линейность (вследствие высокой жесткости конструкции) и малая зона нечувствительности.

Магнитоупругие датчики

Магнитоупругие ДДВ предназначены для измерения динамических факторов и основаны на обратимом преобразовании энергии магнитного поля и энергии механических колебаний. Магнитоупругие ДДВ используются в тех же задачах, что и пьезоэлектрические ДДВ, и также включаются в генераторные и параметрические измерительные схемы.

В основе работы магнитоупругого ДДВ лежит явление магнитоупругости (обнаружено в 1865 году итальянским ученым Эмилио Виллари), основанное на изменении намагниченности сердечника из ферро- и ферримагнетика при деформации. Обратный по отношению к магнитоупругости эффект - магнитострикция, заключающийся в изменении размеров и формы сердечника при намагничивании был открыт Дж. П. Джоулем в 1842 году.

Магнитоупругий эффект по своему проявлению во многом подобен пьезоэффекту. В то же время, использование магнитоупругого ДДВ позволяет получить существенно большую номинальную измерительную мощность (на несколько порядков). В отличии от пьезоэлектрических ДДВ, обладающих линейными электрическими свойствами, магнитоупругие материалы нелинейные. Поэтому, изменение электрических и магнитных свойств этих материалов при механическом воздействии наиболее просто описывается кривой гистерезиса (D и В - вектора поляризации и индукции, соответственно, рисунок 5.3). Действие механических напряжений s в ферромагнетике деформирует его кривую намагниченности (за счет изменения магнитной проницаемости m и взаимной или остаточной индукции ).

Рисунок 5.3 – Изменение кривой намагниченности магнитоупругого

ДДВ при деформации

В качестве материала для упруго-чувствительных элементов магнитоупругого ДДВ пригоден любой ферромагнитный материал, со значительной магнитострикцией насыщения. Чаще всего используются трансформаторные стали, отличающиеся низкой стоимостью, но и невысокой чувствительностью, пермаллои (термообработанные железо-никелевые сплавы), наоборот, обладающие высокой чувствительностью, но и высокой стоимостью.

Основой магнитоупругого ДДВ является совмещенный упруго-чувствительный элемент в виде катушки с сердечником.

По принципу преобразования различают магнитоупругие ДДВ двух типов: генераторные и параметрические.

Генераторный магнитоупругий ДДВ (рисунок 5.4, а) подобен пьезоэлектрическому ДДВ с сегнетоэлектриком.

а – генераторного; б – параметрического дроссельного;

в - параметрического трансформаторного.

Рисунок 5.4 - Схема магнитоупругого датчика

Под действием измеряемого механического напряжения (например, сжатия ) индукция , наведенная в сердечнике - постоянном магните, изменяется. Величина этого изменения характеризует чувствительность материала и составляет » 1,5 10^-9 (Вб м²)/(Н м²).

В свою очередь, вариации потока индукции наводят в выходной обмотке ЭДС, пропорциональную . Таким образом, функцию преобразования магнитоупругого ДДВ можно представить приближенным выражением:

где k – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от числа витков катушки и площади ее сечения;

k _г - коэффициент преобразования генераторного датчика.

Генераторные магнитоупругие датчики наиболее просты и миниатюрны, но работают только в динамическом режиме.

Принцип действия наиболее распространенного параметрического магнитоупругого ДДВ основан на измерении вариаций магнитной проницаемости m под действием механической нагрузки на сердечник. Параметрические датчики подразделяются на дроссельные (рисунок 5.4, б) и трансформаторные (рисунок 5.4, в). Относительное изменение магнитной проницаемости сердечника Dm/mвызывает соответствующее изменение импеданса датчика, а, следовательно, выходного напряжения. Функция преобразования такого датчика имеет вид:

где - коэффициент преобразования параметрического магнитоупругого датчика.

Основной характеристикой параметрического датчика является магнитоупругая чувствительность :

Точность магнитоупругих ДДВ определяется тремя основными факторами: магнитоупругой чувствительностью , уровнем допустимых механических напряжений и частотными характеристиками материала.

Основные достоинства магнитоупругих ДДВ: большая выходная мощность (отсутствие каскадов усиления), высокая механическая жесткость и надежность, позволяют использовать их в экстремальных условиях (при высокой влажности, давлении и т.п.).

К недостаткам этих датчиков можно отнести ограниченную полосу пропускания (вследствие токов Фуко) и невысокую точность измерения.

Двойной мост Томсона

Для измерения сопротивлений от 1 мкОм до 1 Ом применяют двойные или многоплечие измерительные мосты. Существуют комбинированные одинарно-двойные измерительные мосты, позволяющие измерять сопротивления в диапазоне от 1 мкОм до 1 МОм с погрешностью порядка ± 0,002%.

На рисунке 6.3 представлен двойной измерительный мост Томсона.

Здесь следует отметить, что сопротивления R_X (измеряемое) и R_N (эталонное) должны иметь по четыре выходные клеммы.

R1 – R4 – магазины сопротивлений моста;

Rx и RN – измеряемое и образцовое сопротивления;

R_Б – балластное сопротивление для регулирования тока;

r – сопротивление соединительного провода;

Г – нуль индикатор моста;

А – контрольный амперметр.

Рисунок 6.3 – Двойной мост Томсона

Собственно мост, как прибор, выделен на схеме пунктиром. В нижней части рисунка показана схема внешних цепей. При балансе двойного моста, т.е. когда потенциалы в точках А и Б одинаковы, имеет место следующее соотношение:

где U x – падение напряжения на сопротивлении R x;

U _N – падение напряжения на сопротивлении R _N.

Таким образом, при помощи моста Томпсона осуществляется непосредственное измерение отношения напряжений на последовательно включенных неизвестном и эталонном сопротивлениях. Равенство потенциалов в точках А и Б означает, к тому же, что через R x и R _N течет один и тот же ток. Принимая это во внимание, получаем из предыдущего выражения:

Параметры схемы двойного моста выбираются так, чтобы второе слагаемое этого выражения обращалось в нуль. Для переключения магазинов R₁ и R₃располагают на одной оси (R₁ = R₃ при любом положении переключателя), а штепсельными магазинами выставляют одинаковые значения R₂ = R₄. При этих условиях формула для расчета R x приобретает вид:

Измерительные мосты часто бывают универсальными, одинарно–двойными. Это означает, что прибор можно включить и по схеме одинарного моста, и по схеме двойного. В связи с этим не все клеммы моста задействованы в том или другом случаях.

Лекция 1. Назначение, функции и свойства информационных систем

План лекции

- Назначение информационных систем;

- Преобразование информации при управлении процессами;

- Классификация информационных систем;

- Информационно-измерительные системы (ИИС);

- Первичные средства получения информации.