Підсилення електричних вимірювальних сигналів в геодезичних системах

Мета роботи: ознайомитись з функціональним призна­ченням і будовою електронних підсилювачів, які використо­вуються в геодезичних системах. Набути практичних нави­чок, щодо визначення основних технічних характеристик електронних підсилювачів і роботи з електронними підси­лювачами.

Обладнання і матеріали: макет електронного підсилю­вача напруги, макет системи для гідростатичного нівелювання з електронним перетворювачем переміщення, цифровий вольтметр, блок живлення, з’єднувальні провідники.

Місце проведення роботи: робота проводиться в лабо­раторії кафедри технічної діагностики і моніторингу.

Тривалість: 2 год.

Основні теоретичні положення

Більшість вимірювальних перетворювачів, які викорис­товуються в геодезичних системах володіють слабким вихід­ним сигналом, який не придатний для передачі по лінії зв’яз­ку, відображення чи реєстрації. Виходячи з цього вимірю­вальні електричні сигнали на виході первинних вимірюваль­них геодезичних перетворювачів необхідно підсилювати. На даний час найбільш широкого використання набули системи для підсилення електричних вимірювальних сигналів на базі операційних підсилювачів. Операційний підсилювач - підси­лювач постійного струму з диференційним входом, що має високий коефіцієнт підсилення. Призначений для виконання різноманітних операцій над аналоговими сигналами, переваж­но, в схемах з від’ємним зворотним зв’язком (ВЗЗ). В даний час ОП отримали широке застосування, як у вигляді окремих мікросхем, так і у вигляді функціональних блоків – у складі складніших мікросхем. Така популярність обумовлена тим, що ОП є універсальним блоком з характеристиками, близь­кими до ідеальних, на основі якого можна побудувати безліч різноманітних електронних вузлів.

До переваг застосування операційних підсилювачів у системах підсилення можна віднести:

- простоту використання;

- наявність двох входів (прямого та інверсного);

- високий вхідний опір (декілька сотень МОм навіть ГОм);

- низький вихідний опір (долі Ом);

- дуже високий коефіцієнт підсилення з розімкнутою ланкою зворотного зв’язку (ЛЗЗ) (10⁴…10⁶ і навіть вище).

Схема електична принципова електронного підсилю­вача, який буде досліджуватись в даній лабораторній роботі, зобра­жена на рис. 3.1. Даний підсилювач побудований з двох кас­кадів неінверсних підсилювачів на базі ОП ( і ). В лабораторному макеті електронного підсилювача викорис­товується ОП в інтегральному виконанні LM358, коли в од­ному корпусі розміщено два ОП (рис. 3.2). Коефіцієнт під­силення за напругою (з розімкнутою ЛЗЗ) одного з таких ОП складає 20000.

 

 

Рисунок 3.1 – Схема електрична принципова двохкаскадного лабораторного електронного підсилювача

 

 

 

а)

б)

а) зовнішній вигляд; б) внутрішня будова

Рисунок 3.2 – Інтегральний операційний підсилювач LM358

Коефіцієт підсилення по напрузі для підсилювача зобра­жено на рис. 3.1 складає:

. (3.1)

 

Відповідно загальний коефіцієнт підсилення є добутком коефіцієнтів підсилення каскаду № 1 і каскаду № 2 (рис. 3.1).

 

, (3.2)

 

, . (3.3)

 

Резистори і , які встановлені у ЛЗЗ кожного з каскадів підсилення, є змінними, за допомогою цих резисторів вста­новлюється необхідний коефіцієнт підсилення.

Оскільки значення коефіцієнта підсилення може зміню­ватись у широких межах, то доречно його подавати в деци­белах (дБ):

(дБ). (3.4)

 

Як джерело вхідного сигналу для лабораторного елек­тронного підсилювача використовується електричний сигнал з вимірювального перетворювача переміщення (будова якого детально розглянута у лабораторній роботі № 1), який вбудо­ваний в модель системи гідростатичного нівелювання (рис. 3.3). Давач Холла в даному вимірювальному перетво­рювачі переміщення використовується без підсилювача.

Гідростатичне нівелювання - це високоточне нівелюван­ня, що засноване на принципі сполучених посудин, і застосо­вується в основному під час монтажу устатковання, виві­рянні горизонтальності різних виробничих площин, спосте­реженнях за осіданням споруд та інших аналогічних роботах.

 

 

1- рухома водомірна ємність; 2 - механізм переміщення;

3- нерухома водомірна ємність; 4- поплавок з магнітом;

5 - давач Холла; 6- з’єднувальний кабель;

7- з’єднувальна трубка; 8 -станина

Рисунок 3.3 – Лабораторний макет системи гідростатичного нівелювання з електронним вимірювальним перетворювачем переміщення

 

 

Гідростатичний нівелір, що називається гідростатичним рівнем, складається з двох вимірювальних головок – резервуа­рів, сполучених між собою водяним шлангом. Стаціонарна гідростатична система геодезичного моніторингу (рис. 3.4) містить: водомірні ємності, жорстко закріплені на фундаменті або конструкції споруди; компенсаційний резервуар з кон­тро­льною водомірною ємністю, які встановлені в стороні від гідростатичної системи на фундаменті (підставці), що немає осідання; з’єднувальну трубку, що з’єднує всі водомірні єм­ності і компенсаційний резервуар між собою.

 

Рисунок 3.4 – Стаціонарна гідростатична система геодезичного моніторингу

 

Під час проведення спостережень компенсаційний резер­вуар служить опорним репером. В кожному циклі вимірювань спостерігають за рівнем рідини у водомірних ємностях. Від­мінність рівня рідини на кожній водомірній ємності від рівня рідини за контрольною водомірною ємністю і є пере­вищенням (осіданням) точок, на яких закріплені водомірні ємності. Точність визначення осідання за допомогою гідроста­тичною системи коливається в межах від 0,3 до 1 мм. Для дистан­ційного контролю за рівнем рідини в кожній з водо­мірних ємностей вбудовується електронний вимірювальний перетво­рювач переміщення, електричні сигнали з яких лінією зв’язку передаються в диспетчерську для спостереження і реєстрації. Значною перевагою системи яка зображена на рис. 3.4, є вико­ристання тільки одного опорного репера.

 

Порядок виконання роботи

1) Під керівництвом викладача виконати під’єднання ви­мірювального перетворювача переміщення лабораторного ма­кету системи гідростатичного нівелювання до лабораторного електронного підсилювача.

2) За допомогою механізму переміщення 2 (рис. 3.3) пе­ремістити рухому водомірну ємність 1 у крайнє верхнє поло­ження за шкалою механізму переміщення.

3) Подати живлення на електронний лабораторний макет.

4) За допомогою механізму переміщення 2 переміщувати рухому водомірну ємність 1 вниз з кроком і в діапазоні, який задається викладачем. На кожному із значень вертикального переміщення фіксувати значення напруги на виході давача Холла (), першого каскаду підсилення () і другого каскаду підсилення (). Отриманні значення занести у табл. 3.1.

5) На основі отриманих значень провести розрахунок коефіцієнтів підсилення за залежностями (3.1), (3.2), (3.4). Результати досліджень занести у табл. 3.1.

 

Таблиця 3. 1 – Результати дослідження підсилення електричних вимірювальних сигналів в гідростатичній системі геодезичного моніторингу

 

№ Дос-ліду	Пере-міщення H, мм	, В	, В	, В				дБ
.. N

6) За результати дослідження побудувати графічні залеж­ності вихідної напруги давача Холла від переміщення H, вихідних нарпруг і на виході 1 і 2 го каскаду під­силення від вхідної напруги (в одних координатах), за­гального коефіцієнту підсилення від значення вхідної напруги . Визначити діапазони зміни , , .

7) За середніми значеннями коефіцієнтів підсилення і і виходячи з того що R1=R3=820 Ом розрахувати значення змінних резисторів R2 і R4, які включені ЛЗЗ опера­ційних підсилювачів (рис. 3.1).

8) Виходячи з отриманих результатів сформулювати вис­новки до лабораторної роботи, щодо дослідження підсилення електричних вимірювальних сигналів в гідростатичній системі геодезичного моніторингу.

 

запитання до самоконтролю

3.1) Чому виникає необхідність підсилення вимірю­валь­них електричних сигналів в системах геодезичного моніто­ингу?

3.2) Яка перевага застосування операційних підсилюва­чів для побудови електронних підсилювачів електричних сиг­налів?

3.3) Як розраховується коефіцієнт підсилення багатокас­кадних підсилювачів електричних сигналів?

3.4) В якій формі подається коефіцієнт підсилення підси­лювачів електричних сигналів?

3.5) Як побудована і функціонує стаціонарна гідроста­тична система геодезичного моніторингу?

3.6) Яким чином застосовується електронний вимірю­вальний перетворювач переміщення в гідростатичній системі геодезичного моніторингу?

 

 

Лабораторна робота № 4