Оборудование используемое при выполнении работы.

1. ДПО-РН Тренажер

2. ДПО-РН-5 Модуль

3. БАК х 2 шт.

4.электроды-5 шт.

12.4.Рабочее задание.

 

1. Подключите модуль ДПО-РН-5.

2. Наполните водой два бака, подключите электроды в положения (A-D). Установите бак с электродами D и Е как общий резервуар, а бак с электродами А,В и С - как резервуар верхнего этажа.

3. Поместите электрод D в общий резервуар, а электрод А - в резервуар верхнего этажа; остальные электроды пока не устанавливайте. (Это значит, что электроды D и А должны достигать уровня воды, а остальные - нет).

4. Посмотрите на двигатель, работает ли он?

- Выход затвора НЕ (4 ножка) имеет уровень?

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (3 ножка) имеет уровень?

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (4 ножка) имеет уровень?

5. Поместите электрод Е в общий резервуар, это означает, что вода в нижнем баке достигла уровня Е; работает ли двигатель?

- Выход затвора НЕ (4 ножка) имеет уровень?

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (4 ножка) имеет уровень?

6. Поместите электрод В в резервуар верхнего этажа, это означает, что вода достигла уровня В; работает ли двигатель?

- Выход затвора НЕ (4 ножка) имеет уровень.

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (1 ножка) имеет уровень.

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (3 ножка) имеет уровень.

7. Поместите электрод С в резервуар верхнего этажа, это означает, что уровень воды достиг С; работает ли двигатель?

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (2 ножка) имеет уровень.

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (1 ножка) имеет уровень.

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (3 ножка) имеет уровень.

8. Удалите электрод С из бака, работает ли двигатель?

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (2 ножка) имеет уровень.

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (1 ножка) имеет уровень.

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (3 ножка) имеет уровень.

9. Удалите электрод В из бака, работает ли двигатель?

- Выход затвора НЕ (15 ножка) имеет уровень.

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (4 ножка) имеет уровень.

- Выход затвора ИЛИ-НЕ (3 ножка) имеет уровень.

10. Удалите электрод Е из бака, работает ли двигатель?

11. Поместите электрод Е в бак, работает ли двигатель?

12. Повторите пункты 7-10, пронаблюдайте за состоянием движения.

13. В этом эксперименте мы изучили хороший регулятор уровня, который соответствует поставленным условиям работы.

Когда электрод Е не помещён в бак, это означает, что уровень верхнего бака недостаточен, двигатель не работает, исключая работу без нагрузки. Если электрод Е помещён в бак, а В и С-нет, двигатель начнёт работать. Если теперь поместить в бак электрод В, двигатель будет продолжать работать, если поместить в бак электрод С, это означает, что бак полон, и двигатель снова остановится. Если теперь удалить из бака электрод С, двигатель всё ещё будет стоять, пока вы не удалите электрод В. Если удалить электрод Е, это будет означать, что уровень нижнего бака недостаточен, и мотор не запустится независимо от наличия или отсутствия электродов в верхнем баке.

12.5. Оформление отчёта.

12.5.1. Зарисовать схему №12.1.

12.5.2.Занести в таблицу состояния двигателя(стоит или работает) насоса в зависимости от уровня воды в баках(от числа погруженных электродов в воду).

12.5.3. Сделать выводы по работе схемы датчика.

12.6. Контрольные вопросы.

12.6.1. Назвать известные вам виды датчиков уровня.

12.6.2. Рассказать принципы работы изученных датчиков уровня.

12.6.3. Преимущества, недостатки известных вам датчиков уровня и области их применения.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Исследование тензорезистора и интегрального датчика давления

Задание 1. Тензорезистор

1 Основные положения

Механизмы и конструкции должны быть прочными, чтобы гарантировать безопасность в эксплуатации. Они должны также быть функциональны и легки в весе, с экономичным использованием материалов, чтобы достигалась высокая экономическая эффективность. Эти две технических цели, безопасность и экономия, противоречат друг другу. Поэтому, их оптимальное соотношение, должно быть исследовано с самой большой тщательностью. Это может быть сделано путем точных исследований напряженных состояний, с применением общепризнанного метода – тензометрических измерений. Тензорезисторы являются основой высокоточных измерений в этой области.

Тензорезисторы могут также измерить и преобразовать разнообразные физические величины в электрические сигналы. Это - то, из-за чего они нашли широкое применение в датчиках силы, давления, перемещения, ускорения или вращающего момента.

Тензорезисторы позволяют сделать все это с уникальными преимуществами следующим образом:

1) Точное измерение напряжения, в определенном месте на поверхности измеряемого объекта.

2) Быстрый отклик для скоростных измерений, благодаря компактной и легкой структуре.

3) Превосходная линейность в пределах широкого диапазона напряжений.

4) Измерения в широком диапазоне температур и в неблагоприятных окружающих средах.

5) Возможность измерений на удалении для промышленного мониторинга.

 

Основой тензорезистора служит чувствительный элемент, металлический или полупроводниковый, сопротивление которого изменяется пропорционально напряжению на поверхности измеряемого объекта.

Упомянутый элемент выполнен в виде решетки из константанового сплава (как правило) и размещен на подложке из полиамида или другого материала. Сверху решетка покрывается защитной пленкой. См. рис.1. Это – классическое представление структура тензорезистора, готового к аппликации на поверхность измеряемого объекта. Для аппликации, как правило, применяется клей.

Рис. 22.1 Структура тензорезистора

Рис. 22.2 Мост Уитстона

Обозначим начальное сопротивление тензорезистора как R, а относительное изменение сопротивления тензорезистора, вызванное напряжением, обозначим как дельта R. Тогда формула будет выглядеть следующим образом:

, где

Ks – К-фактор тензорезистора, то есть коэффициент чувствительности тензорезистора. Как правило, он приблизительно равен 2 для тензорезисторов общего применения.

Как видно из формулы, относительное изменение сопротивления датчика вызванное напряжением в материале очень мало. Например, при R = 120 Ом и = 1000x10^-6, дельта R будет равно всего 0.24 Ома. Это небольшое изменение сопротивления должно быть преобразовано в электрический сигнал. Чтобы сделать это эффективно, применяется мост Уитстона, который показан на рис. 1.2. Тогда мы усиливаем сигнал до уровня, достаточного для измерения и регистрации.

Небольшой выходной сигнал был главным неудобством при тензометрических измерениях. В настоящее время это больше не является проблемой в большинстве случаев, благодаря высокой стабильности и точности современных тензометрических усилителей.

Другая проблема применения тензорезисторов заключалась в необходимости их наклейки вручную, в то время как измерительное оборудование становится все более автоматизированным.

В настоящее время эта проблема является на сегодняшний день не актуальной, так как достижения химической промышленности значительно улучшили качество подложки и клея.

2. Виды и факторы выбора тензорезисторов

Тензорезисторы выпускаются с большим разнообразием спецификаций для решения различных измерительных задач. Но неправильный выбранный тип тензорезисторов не принесет ожидаемого эффекта. Выбор надлежащих тензорезисторов - первый шаг к успешному измерениям деформаций. Чтобы выбрать надлежащий тензорезистор, каждый раз необходимо учитывать следующие факторы: материал, конфигурация и размер измеряемого объекта; условия окружающей среды таких, как температура и влажность; условия проведения работ и измерительные приборы, которые используются совместно с тензорезисторами.

2.1 Типы тензорезисторов

В таблице 2.1 приведена общая классификация тензорезисторов, их основные характеристики и факторы выбора.

Тип чувствительного элемента:

· Фольговые тензорезисторы

У фольговых тензорезисторов чувствительный элемент выполнен из фольги толщиной несколько микрометров. Материал - сплав Ni-Cu или Ni-Cr. Эти датчики имеют малые размеры и изготовлены методом фототравления, что обуславливает относительно низкую стоимость. Эти тензорезисторы универсальны в применении. Все это обуславливает их самое массовое применение в различных областях измерений.

· Проволочные тензорезисторы

В качестве чувствительного элемента в них применяется проволока из сплава Ni-Cu или Ni-Cr, толщиной 13-25 микрометров. Так выпускаются тензорезисторы на бумажной подложке, специальные тензорезисторы для бетона, тензорезисторы на большие деформации и специальные тензорезисторы для высоких температур.

· Полупроводниковые тензорезисторы

Их чувствительный элемент изготовлен из монокристалла кремния, К-фактор таких тензорезисторов - может достигать 90 - 200. Это делает их подходящими для измерения микро деформаций и для производства высокочувствительных датчиков. Возможна их работа без дополнительного усилителя. Однако эти тензорезисторы в значительной степени подвержены влиянию температуры, а также не обладают достаточной линейностью. Соответственно, область их применения ограничена.

2.2 Материал подложки

Характеристики материала подложки соответствуют характеристикам чувствительного элемента. Как правило, для подложки применяют полиамид или некоторые другие типы полимеров. Высокотемпературные тензорезисторы имеют керамическую или подобную подложку. Для привариваемых тензорезисторов в качестве материала подложки используется такие сплавы как Inconel 600.

 

Классификация тензорезисторов

 

 

Таблица 2.1 Типы тензорезисторов

Материал чувствительного элемента	Фольговые (Cu-Ni сплав, Ni-Cr сплав и т.п.) Проволочные (Cu-Ni сплав, Ni-Cr сплав и т.п.) Полупроводниковые (монокристалл кремния, и т.п.)
Материал подложки	Бумага Фенольно/эпоксидная основа Полиамид Другие
Длина чувствительного элемента	0.14 - 120mm
Конфигурация	Одноэлементный (одинарный); Многоэлементные (розетки и т.д.); Специального применения
Сопротивление	60 – 1000 Ом или более (полупроводниковые - до 10 кОм)

 

2.3 Длина чувствительного элемента (базы, решетки)

· Для измерений на большинстве металлических материалов, наиболее подходят тензорезисторы с базой 1…6 мм. Такой выбор определяется большим разнообразием выпускаемых типономиналов и весьма привлекательной стоимостью.

· Для измерений средних по величине деформаций на бетоне или древесине, структура которых в значительной степени разнородна, применяются тензорезисторы с длинной решетки 30…120 мм

· Для стеклопластиков применяются тензорезисторы с базой 5…30 мм, в зависимости от толщины волокон и расстояния между ними. Если толщина волокон мала, применяют тензорезисторы с базой менее 5 мм.

· Если измерения производятся в точке концентрации напряжений, то следует применять малобазные тензорезисторы (до 1 мм). Если применять более длинную базу, измерения дадут усредненное значение деформации, а пиковые значения не будут измерены.

· При ограниченной зоне для аппликации также используются короткобазные тензорезисторы с соответственно короткой подложкой.

2.4 Конфигурация тензорезисторов

Тензорезисторы выпускаются с различной конфигурацией. На рис. 2.1 показаны лишь некоторые из них.

· Одиночные

Это базовая конфигурация тензорезисторов, чувствительность которых направлена по продольной оси решетки. При известном направлении деформаций, одиночный тензорезистор наклеивается в соответствии с этим направлением и успешно решает задачу измерения.

· Двойные

В таком тензорезисторе решетки расположены по двум осями, расположенным под прямым углом, и используется для моноосевого измерения напряжения или в датчиках, работающих на простое сжатие. Также они используется для измерения деформаций сдвига и в датчиках крутящего момента.

· Тройные

В случае, кода направление деформации неизвестно, необходимо применять тройные тензорезисторы (розетки) и проводить анализ направлений деформации.

· Прочие конфигурации

Для проведения специализированных измерений применяются особые конфигурации тензорезисторов, включая тензорезисторы для измерения концентрации напряжений, в которых 5 решеток расположены на одной оси; и тензорезисторы устойчивые к воздействию переменных магнитных полей, 2-е решетки которых расположены точно одна над другой.

Рисунок 22.3 – Конфигурации тензорезисторов

 

2.5 Сопротивление тензорезисторов 120 Ом является стандартным для тензорезисторов. Мы рекомендуем тензорезисторы с данным сопротивлением, если нет особых причин выбирать иное. Тензорезисторы с сопротивлением 120 Ом выпускаются с большим разнообразием конфигураций и опций, а также весьма привлекательны по цене.

Применение тензорезисторов с иным, чем 120 Ом сопротивлением возможно в следующих случаях:

1. 60 Ом – В случае использования двух тензорезисторов совместно, для коррекции погрешности от наклейки

2. 350 Ом, 500 Ом – Датчики, как правило, требуют сравнительно большого напряжения питания мостов. Также, когда требуется уменьшить влияние температурного эффекта при наклейке на материалы с плохой теплопроводностью, такие как пластик.

3. 1 кОм и выше – Требование датчиков к повышенному напряжению питания. Также, когда аппаратура для работы с тензорезисторами требует низкого энергопотребления.

4. 10 кОм (полупроводниковые) – Высокоскоростные измерения такие, как удар без использования усилителя.

3.1 Необходимое оборудование

1. ДПО-РН Тренажер

2. ДПО-РН-14 Модуль

 

 

Рисунок 22-3 – Экспериментальная схема

 

3. 2 Эксперименты и записи

1. Подключите модуль ДПО-РН-14.

2. Слегка изогните пластину с закрепленным на ней тензорезистором, замерьте и запишите именение выходного напряжения

 

 

3.3 Принцип работы экспериментальной схемы.

Основной элемент схемы – тензорезистор, включён по схеме моста тензомоста Уитстона. Выводы моста подключены к источнику питания и двум операционным усилителям DA1 и DA2, усиливающих сигнал с разсогласования с моста, который может быть как с положительным знаком, так и с отрицательным. Резистор R1 служит для установки сигнала «ноль», означающим, что пластина не подвергается деформациям. Резисторы R2, R5 и R6 служат для нормирования сигнала с усилителей. Операционный усилитель DA3 играет роль компаратора сигнала, и выдающего отрицательный, либо положительный сигнал, в зависимости от того, в какую сторону была деформирована пластина. Резистор R10 – настроечный резистор, предназначенный для установки величины выходного сигнала с компаратора.

 

Задание 2 ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Как и датчики температуры, датчики давления относятся к наиболее широко распространенным в технике. Однако для непрофессионалов измерение давления представляет меньший интерес, так как существующие датчики давления относительно дороги и имеют лишь ограниченное применение.

Кремниевые датчики

Для любительской практики представляют интерес лишь относительно недорогие кремниевые датчики давления, имеющие выходной сигнал чаще всего порядка нескольких вольт. Обычно такой датчик из­готовляют из кремниевой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Ме­тодом ионной имплантации на мембране выполняют резистивные элементы с межсоединениями. При из­менении давления мембрана прогибается, и под дей­ствием пьезоэлектрического эффекта происходит из­менение сопротивления резистивных элементов. Толщина мембраны, как и геометрическая форма рези­сторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этого типа являются:

· высокая чувствительность,

· хорошая линейность,

· незначительные гистерезисные явления,

· малое время срабатывания,

· компактная конструкция,

· экономичная планарная технология изготовления.

Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.

 

Рис.1. Измерительный мост из 4 пьезорезисторов,

составляющих в совокупности датчик давления.

 

Четыре однотипных пьезорезистора образуют мост, как показано на рис. 1 При этом отдельные ре­зисторы (R1…R2) соединены так, что при прогибе мембраны сопротивление резисторов R1 и R3 возрас­тает, а у R2 и R4 — уменьшается. В результате дости­гается высокая чувствительность измерительного мо­ста. Выходное напряжение U_A соответствует тогда уравнению:

 

На рис. 2 графически представлена зависимость U_A(p) для типичного кремниевого датчика дав­ления. Здесь же продемонстрировано и влияние тем­пературы на чувствительность

Рис. 2. Характеристика кремниевого датчика давления

при различных температурах (25 и 125 ^о С).

 

Поскольку в этом случае максимальное выходное напряжение составляет лишь 0,1 В, для дальней­шей обработки сигнала его нужно усилить еще примерно до 1 В. Такое 10-кратное усиление по напряже­нию с помощью стандартных операционных усилите­лей (741, LM358 и т. п.) не составляет проблемы, а поэтому согласование сигнала с измерительным при­бором осуществляется легко. Для измерений с повы­шенной точностью следует дополнительно компенси­ровать температурную погрешность датчиков.