Реферати українською » Физика » Використання потенціометричного ефекту для вимірювання фізичних величин


Реферат Використання потенціометричного ефекту для вимірювання фізичних величин

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Білоруський Національний Технічний Університет

>Приборостроительний факультет

Кафедра ">Информационно-измерительная техніка і технології"

 


Курсова робота

з дисципліни "Фізичні основи вимірів"

Використанняпотенциометрического ефекту

для виміру фізичних величин

Виконавець:

студент групи 313028

Лі У. У.

Керівник:

Доцент

Свистун А. І.

Мінськ 2010


Зміст

Запровадження

1. Описпотенциометрического ефекту

2. Вимірювання фізичних величин з урахуваннямпотенциометрического ефекту

Укладання

Список використаних джерел


Запровадження

Нині широко застосовуються різні вимірювальні перетворювачі. У кожному каталозі електронних компонентів їх подано досить повно, причому кожен тип перетворювача має низку варіантів виконання.

>Измерительний перетворювач є приладом, який перетворює зміна однієї величини в зміна інший. У термінах електроніки вимірювальний перетворювач визначається зазвичай як прилад, перетворюючийнеелектрическую фізичну величину (звану вимірюваною фізичної величиною) в електричний сигнал, навпаки. Є, звісно, і виключення від цього правила.

Звідси випливає, що вимірювальні перетворювачі використовують у електронних системах їх, тобто. в технічних пристроях з електричним сигналом, які відображають результат вимірів чи спостережень. З іншого боку, вимірювальний перетворювач можна використовувати не вдома системи, щоб, скажімо, генерувати механічне спрямування залежність від електричного управляючого сигналу. Прикладом реалізації перетворювачів є довідкова система, у якій мікрофон (вхідний перетворювач) перетворює звук (вимірювану фізичну величину) в електричний сигнал. Останній посилюється, та був надходить на гучномовець (вихідний перетворювач), який відтворює звук більш гучний, ніж той, що сприймається мікрофоном.

Досить часто яка вимірюється величина відповідно до її визначенню просто вимірюється електронної системою, а отриманого результату лише відображається чи запам'ятовується. Однак у окремих випадках виміру утворюють вхідний сигнал керуючої схеми, яка служить або для регулювання вимірюваною величини щодо деякого заздалегідь встановленого рівня, або керувати перемінної завбільшки відповідність до вимірюваною. Попри очевидне часткове дублювання вимірювальних перетворювачів у тих двох прикладах, прийнято розрізняти ці галузі використання перетворювачів, іменуючи їхні відповідно контрольно-вимірювальне обладнання та котра управляє.

Натомість, ці дві області поділяються нателеметрическое контрольно-вимірювальне устаткування (у якому вимірювальні системи використовуються що з радіо лініями зв'язок між перетворювачем і пристроями відображення інформації), хімічний аналіз (у якому система використовується у тому, щоб знайти й відобразити відносне зміст складових суміш речовин), процес управління (у якому виробничий процес, наприклад прокат стали, контролюється і управляється) тощо.


1. Описпотенциометрического ефекту

>Потенциометрический ефект знайшов широке використання у техніці, його основі працюютьпотенциометрические датчики, перетворювачі та інших. Дуже великим класом вимірювальних перетворювачів єрезистивние перетворювачі, принцип дії яких грунтується на перетворення значення вимірюваною величини в зміна опору. Останнє може бути викликане різними ефектами впреобразующем елементі, наприклад нагріванням чи охолодженням, механічним напругою, впливом світлового потоку (як іфотопроводящихпреобразователях), зволоженням, осушенням, механічним переміщенням контактної щітки реостату. Якщо зарезистивний матеріал під час зміни вимірюваною величини протікає фіксований струм, то результатом буде зміна напруги вздовж матеріалу, що відбиває зміна вимірюваною величини. Однією з варіантіврезистивного перетворювача єпотенциометрический перетворювач [1], у якому зміна вимірюваною величини перетворюється на зміну ставлення напруг через зміну становища контактної щітки нарезистивном матеріалі,запитиваемом від зовнішнього джерела (малюнок 1.1). Певний механічний елемент перетворює зміна вимірюваною величини в переміщення щітки.Потенциометр, зображений малюнку 1.1, можна як еквівалентній електричної схеми, як це зроблено малюнку 1.2 Його вихідний напруга визначається вираженням

, (1.1)

де V1 - напруга на вході.

Малюнок 1.1 -Резистивное перетворення, у якому використовується потенціометричне пристрій, що викликає зміна вихідного напруги

Малюнок 1.2 -Эквивалентная схемапотенциометрического устрою

Колиприкладиваемое на вхід приладу напруга є і яка вимірюється значення визначається становищем щіткипотенциометра, тоді вихідний напруга є безпосередньо функція вимірюваною величини.

Упреобразователях можна використовуватипотенциометрические устрою (з однією чи декількома опорами у схемі) або вони самі єпотенциометром. У разіпотенциометрический елемент буде змінним. Деякі перетворювачі маютьнепроволочние опору, такі, якметаллокерамическая підкладка чи проводить пластикова плівка. Зустрічаютьсяпотенциометри, у яких повний діапазон змін становища щітки дорівнює 270°, тоді як інших конструкцій мають діапазон удесятеро і навіть 20 повних оборотів (3600 чи 7200°).


2. Вимірювання фізичних величин з урахуваннямпотенциометрического ефекту

Для виміру положення у автомобільних системах підходять найрізноманітніші технології, серед яких значного розповсюдження отрималипотенциометрические датчика кута і лінійних переміщень [2, 3]. Цей тип датчиків характеризується наявністю рухливих механічних контактів, переміщення яких вздовж довжини змінного резистора змінює його опір пропорційно становищу контактів, щоиндицируется не вдома датчика також пропорційним аналоговим сигналом постійної напруги.

Контактні датчики становища які з безконтактними пристроями зберігають лідируючі позиції в автомобільному ринку, чому сприяє такі величезні досягненняпотенциометрической технології, немов малі розміри корпуси та низька ціна, хоча б сьогодніпотенциометри значно потіснені магнітними кутовимиенкодерами Голла, і майбутнє автомобільної сенсорики пов'язується саме з активними датчиками стану та швидкості [2,3,4,5].

>Потенциометри є устрою, призначення яких у зміні різниці потенціалів на кінцях ділянки ланцюга.Простейшей фізичної моделлю може бути дротовий реостат із жвавим контактом, включений у електричну ланцюг. Для використання різних типіврезистивних пристроїв як датчика необхідно враховувати відмінність між реостатом, що є резистор зі змінним опором, іпотенциометром, який виконує функції дільника напруги (Україні цього принципу пояснюється малюнком 2.1).

Малюнок 2.1 - Фізична модельпотенциометрического датчика: j - вимірюваний кут повороту; Rj - змінне опір датчика; Vin, Vout - напруга харчування і вихідний напруга, відповідно; Iou>t - вихідний струм

Якщо рухливий контакт пов'язати здетектируемим об'єктом і напруга харчування на крайні термінали, потенціометр можна використовувати, по-перше, як датчик лінійних чи кутових переміщень j, а по-друге, як датчик абсолютного становища - тобто будь-яких механічних параметрів руху, яких визначали за зміни чи абсолютному значенням різниці потенціалів.

Є дуже багато фізичних конструкцій, крім показаних на малюнках 2.2, 2.3, 2.4, 2.6, що дозволяють змінювати опірпотенциометра: дротові нитки, паски й шківи, зубчасті стійки і шестерні, проводить різьблення, кабельні барабани, кулачки, конічні чи похилі зубчасті колеса, звичайні чи черв'ячні зубчасті передачі й т.д. Однак у всіх загальним і те, що сенсорний контактнийрезистивний елемент є потенціометр абореохорд.

Оскільки фіксований елемент датчика -резистивного типу, і журналістам зміну різниці потенціалів досягається з допомогою зміни його опору,потенциометри ставляться дорезистивним датчиків. (>Магниторезистивние і індуктивні датчики змінногоимпеданса, приміром, - це теж варіантирезистивних датчиків, але безконтактного типу,активируемие змінним магнітним полем).

Серед промислово випущених пристроїв виділяються три основні технології контактнихрезистивних датчиків:

дротовірезистивние устрою, зазвичай які становлять дротовийреохорд чи, наприклад, вспиралевидной конфігурації, допускають вимір кутів навіть більше 360° чи лінійні виміру (малюнок 2.2);

>потенциометри зтолстопленочнимирезистивними доріжками, виконаними способом нанесення на поверхню друкованої платирезистивной пасти (графітової чиуглеродно-волоконной, сажі) - по радіусу чи вздовж довжинитокопроводящего сектора, контакти з яких здійснюються у вигляді контактних щіток (малюнки 2.3, 2.4);

гібридніпотенциометри, у яких проводитьрезистивная паста наноситься поверх дротяного спіральногопотенциометра (малюнок 2.7).

Малюнок 2.2 -Многооборотний дротовий потенціометр: обертався вал - мета; 2 - контактний елемент движка; 3 -многооборотная спіральна котушка опору; 4 - движок; 5 - кріплення движка до валу 1; 6 - стаціонарнавтулка-основание; 7 -резьбовой наконечник валу для осьового переміщення валу врезьбовом отворі чопи 6; 8 - 10 - термінали устрою; j - вимірюваний кут повороту; l - лінійний осьової хід валу

Малюнок 2.3 - Конструкція лінійного датчика: 1 - обертався вал - мета; 2 - контактна щітка; 3 - елемент механічного кріплення щіток; 4 -резистивний шар; 5 - друкована плата; 6 - корпус устрою; 7 - 9 - термінали устрою

Малюнок 2.4 - Конструкція кутового датчика (буде в діапазоні 180°): 1 - обертався вал - мета; 2 - контактна щітка; 3, 4 - елементи механічного кріплення щіток; 5 -резистивний шар; 6 - друкована плата; 7 - 9 - термінали устрою

>Проволочниепотенциометри може бути різноманітні формою, яка від кількості витків, здатні, як з малюнка 2.2, детектувати і лінійні, інелинейние переміщення, але для різноманітних кутових (чи, в моделіреохорда, лінійних) вимірів припускають високий профіль і великі габаритні розміри.

Малюнок 2.5 -Схемотехника (принцип дії) кутовоготолстопленочногопотенциометрического датчика (буде в діапазоні до 360°): 1 - ковзний контакт (движок чи контактна щітка); 2 -резистивная доріжка; 3 - контактна доріжка; j - вимірюваний кут повороту; R0 - максимальне опір датчика; R1, R2 -трассировочниерезистори; R3 -нагрузочний резистор; Vin, Vout - напруга харчування і вихідний напруга, відповідно; Iout - вихідний струм


Малюнок 2.6 -Нормализованная вихідна передатна характеристика аналогового кутовогопотенциометрического датчика становищадроссельной заслінки: j - механічний кут повороту;Vout - вихідний напруга; V>0Q -среднеквадратическое напруга;jmax - максимальний механічний діапазон кута обертання; j>eff - ефективний електричний кут (повний діапазон); j>lin - лінійний ділянку кривою (робоча зона); 1 - ідеальна вихідна характеристика; 2 - неідеальна вихідна характеристика; 3, 4 - кордону допусків лінійності

Малюнок 2.7 - Конструкція гібридногопотенциометра: 1 - обертався вал - мета; 2 - контактна щітка; 3 - елемент механічного кріплення щіток; 4 -резистивний шар,контактирующий з проводить гумою 6 і спіральної дротяною котушками опору 8; 5 - вимірювальна доріжка,отделяемая від проводить гуми шаром ізоляційного матеріалу 7; 9 - дерево котушки; 10 - 12 - термінали устрою

Перш ніж детально аналізувати особливості, чесноти та вади технологіїтолстопленочнихпотенциометров (малюнки 2.3, 2.4, 2.5, 2.6), що сьогодні надзвичайно поширені вавтоелектронике, слід зазначити, що також можливе об'єднання обох технологій, з так званимиhybridcoil - гібриднимирезисторнимикатушками-спиралями, допускаютьмногооборотние зміни.Гибриднийрезистивний елемент є резисторwirewound, поверх якого нанесена проводить пластмасова чи гумова паста, що відбувається задля досягнення нескінченного (теоретично) дозволу (малюнок 2.7) і максимальною функціональної точності. Хоча концептуальний ескіз автора малюнку 2.2 також ілюструє можливість отримання нескінченного дозволу зрезисторомwirewound-типа, практично більшість конструкційwirewound-резисторов дозволяють зробити лише стрибкоподібне дискретне дозвіл, якщо датчик лінійних переміщень використовують як реостат у схемі дільника напруги. На малюнку 2.7 показано, як стрибкуватість дозволу усувається в гібридної котушці опору. Лінійні переміщення може бути еквівалентнімногооборотному кутовому руху, як показано малюнку 2.2, котрій лінійне переміщення движка виконується в осьовому напрямі. З іншого боку, гібридні котушки дозволяють підвищити термін їхньої службипотенциометров, який резисторівwirewound-типа зараз сягає 2 млн циклів, і зайняти проміжне становище за цим параметром міжwirewound-резисторами ітолстопленочнимипотенциометрами (котрим термін їхньої служби то, можливо понад вісім млн циклів).Потребляемая потужність - порядку кількох Вт, порівнянна зwirewound-резисторами, температурна стабільність - також чудова, як вwirewound-потенциометров.

У типовомутолстопленочном автомобільномурезисторном датчику для її що просувалася частини, а саме настановна втулка датчика кута, жорстко механічно що з валом управляючого приводу чи активатора клапана, прикріплюється рухливий важіль -токосъемник, одночасно здійснює ковзний електричний контакт рухливихконтактирующий щіток зрезистивним шаром (малюнки 2.1, 2.3, 2.4, 2.5) [2]. Крімрезистивного елемента - доріжки на друкованої платі, движка, управляючого валу - корпус устрою включають також підшипники, наприклад кулькові, і ущільнення, і навітьвозвратную пружину (на малюнках 2.1 - 2.7 ці елементи не показані).

Харчування датчика здійснюється джерела постійної напруги Vin. Для захисту датчика від перевантажень напруги харчування послідовно включаються переміннірезистори R1, R2. У датчик також можна включатиподстроечние переміннірезистори чи постійнірезистори при індивідуальної настроюванні устрою.

При переміщенні ковзаючого контакту по радіусутокопроводящего сектора поверхрезистивного шарупотенциометра його вихідний опір Rj змінюється пропорційно розі поворотудетектируемого об'єкта j (як показано на малюнках 2.1, 2.3, 2.5). Вочевидь, цей тип датчиків то, можливо легколинеаризован простим розгортанням кругового сектора вздовж його довжини.

>Потенциометрическое напруга завдяки пропорційної зв'язок між довжиною доріжки з її електричним опором і згідно до закону Ома, є лінійне постійна напруга Vout (малюнки 2.1, 2.5, 2.6).

Чим ближче до перебуває движок до рівня напруги харчування Vin, то вище вихідний сигнал датчика Vout. На виході устрою пропорційний вихід напруги Vout звільняє з використаннямвисокоимпедансной навантаження (порядку кілька сотенькОм). Напруга движка має підключатися, наприклад, також довисокоимпедансному операційного підсилювачу.Стандартное підключення рухомого контакту виконується з допомогою другий контактної доріжки, що з тієї самоїрезистивного матеріалу. Щоб уникнути зносу і похибки вимірів струм у зоні контакту мінімізують (Iout бажано встановлювати менш1мкА, але у специ-фікаціях сучасних пристроїв це значення може становити кількохмА чи десятків чи сотеньмА).

>Проволочние спіраліwirewoundcoils чи гібридні кутові датчики функціонують аналогічнотолстопленочним (в концепції, представленої малюнку 2.2, теоретично навіть можливанавивка другий спіралі для імітації другий контактної доріжки - вимірювальної); перевагу у цьому, що детекторування кута j при спіральному переміщенні движка можливе межах всієї висоти спіралі.

Хочатолстопленочниепотенциометри можуть вимірювати кутові діапазони в межах 360°, причому з неминучою мертвої зоною, цього вистачає для стандартних автомобільних кутових завдань, у своїй датчики прості в експлуатації і конструюванні, відрізняються низькою ціною, достатнім терміном служби, що пояснює найбільш широку популярність уавтоелектронике.

У специ-фікаціях автомобільнихтолстопленочнихпотенциометров часто вводиться визначення позитивної і різко негативною незалежної лінійності (малюнку 2.5 позначена буквою L) - максимального відхилення (позитивного і негативного) вихідного напруги від теоретичної прямий лінії ±Vout_>max. Причому нахил (градієнт) і точки перетину теоретичної прямий з реальною характеристикою зазвичай виробниками вибираються те щоб сумарна помилка ±Vout_>max була мінімізовано чи негативні і позитивні відхилення - DVout_>max і +DVout_>max були рівні.

Для обчислення незалежної нелінійності використовують як абсолютні відхилення вихідного напруги ±DVout_>max, і відхилення від прямий лініїнормализованной характеристики Vout / Vin (j) вихідного напруги, віднесеного до вхідному напрузі, залежно від механічної вхідний величини -

±DVout / Vin (j) 100%.

Типові значення помилок цієї, зазвичайнормализованной величини, висловлені у процентному відношенні, становлять сьогодні менше 0,5% - до 0,02%. Під час упорядкування специфікацій, зазвичай, вимірюється відмінність між характеристиками аналізованого і еталонногопотенциометра.

На відміну від незалежної лінійності, абсолютна нелінійний, яку

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація