ПОРЯДОК ПОДГОТОВКИ И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

Лабораторная работа

Исследование емкостного преобразователя угла поворота и резистивного преобразователя.

1) Цель работы: ознакомится с работой преобразователя угла поворота, приобрести навыки градуировки, определить погрешность.

Программа работы

· Выписать данные из справочника конденсатора, выданным преподавателем.

· Определить полный угол поворота переменного конденсатора.

· Разбить диапазон изменения угла φ на 10 равных частей.

· С помощью измерительного прибора снять зависимость С=f(φ) и определить погрешность.

· Полагая, что конденсатор находится в измерительном мосту, рассчитать изменения выходного сигнала моста для полученных значений, а также предложить схему компенсации реактивной составляющей для балансировки моста.

· Полагая, что конденсатор включен в цепь ПОС генератора с L=1мГн,рассчитать предел изменения частоты и построить график f=f(φ).

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:

МКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, называются электростатическими (ЭС) преобразователями. Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преобразователя измерительного сигнала.

Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей. Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом.

Рис. 1 Электростатический преобразователь

Датчик ёмкостной угла поворота. Вид общий.

Рис 2. 1,2,3,4 - полуцилиндрические секторные пластины; 5 – сегнетоплёнка; 6 – цилиндрический ротор; 7 – электрические выводы.

 

Принцип действия.

В положении, указанном на чертеже (см. рис.2), линии электростатической индукции, исходящие из ротора 6, наводят на внутренней поверхности пластины 3 отрицательный заряд, а на внешней - положительный. Далее линии электростатической индукции проходят через сегнетопленку 5, расходятся по пластинам 1 и 2 и через пластину 4 возвращаются в ротор 6. Диэлектрическая проницаемость сегнетопленки 5 будет при этом минимальной, минимальной будет и емкость всего датчика между выводами 7. При повороте ротора 6 на 90° поток линий электростатической индукции сразу разводится и замыкается через пластины 3 и 4. Емкость датчикабудет минимальной. Датчик может быть включен в любую измерительную схему - потенциометрическую, мостовую, генераторную и т.д.

Емкостные датчики можно разделить на две основные группы - датчики параметрические (недифференциальные) и датчики дифференциальные.

В схемах с параметрическими датчиками происходит преобразование входной неэлектрической величины (угла поворота оси ротора датчика) в электрическую выходную величину (частоту, ток, напряжение), функционально за­висящую от входной величины.

В схемах с дифференциальными датчиками, включенными в следящие системы, с датчика снимается лишь сигнал рассогласования, который становится равным нулю в установившемся состоянии следящей системы.

Примером параметрического емкостного датчика может служить переменная емкость, включенная в контур лампового генератора (рис. 3). Здесь при измене­нии угла поворота оси ротора изменяется емкость датчика и меняется частота генератора, являющаяся выходной величиной.

Рис. 3 Емкостной датчик, включенный в контур с генератором

Рис 4. Емкостной датчик, включенный в цепь переменного тока

На рис. 4 приведен другой пример использования параметрического датчика. В этом случае с изменением значения емкости С меняется ток через нее, а следовательно, и напряжение на выходе системы, падающее на сопротивле­нии нагрузки R , которое и является выходной величиной.

Подобные системы являются разомкнутыми системами регулирования. Основным недостатком этих схем являет­ся зависимость значения выходной величины от параме­тров источника питания датчика, усилителя и других эле­ментов схемы, а также от внешних условий. В самом Деле, стоит измениться напряжению или частоте генератора, пи­тающего датчик (рис. 4), как напряжение, частота и фаза, являющиеся выходными величинами и снимаемые с сопро­тивления R , также изменятся.

От этих недостатков свободны схемы с дифференциаль­ными емкостными датчиками, включенными в замкнутую систему автоматического регулирования. В этих схемах выходной величиной является угол поворота оси отраба­тывающего двигателя или другой оси, связанной с нею че­рез редуктор. Одной из основных характеристик такой системы является чувствительность, показывающая, при каком минимальном отклонении чувствительного элемента система отработки приходит в действие. Внешние факторы - напряжение питания, температура окружающей сре­ды и т. п. - влияют лишь на чувствительность системы; на точность системы они могут влиять лишь в той мерь, в какой она связана с чувствительностью.

Это значит, что схемы с емкостными дифференциальными датчиками, так же как и любые мостовые нулевые схе­мы с линейными относительно частоты и напряжения сопротивлениями в плечах, предъявляют значительно меньшие требования к стабильности источника питания.

 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Конструктивные схемы емкостных преобразователей выполняются различных вариантах в зависимости от области применения (Рис. 5) При измерении уровней жидких и сыпучих тел находят применение цилиндрические или плоские конденсаторы (см. Рис. 5,а), емкость которых характеризуется уровнем х и зависит от диэлектрических проницаемостей жидкости , изоляции и воздуха .

Рис. 5 Схемы устройства емкостных преобразователей

Для измерения толщины х ленты 3 из диэлектрика с (см. Рис. 5, б) ее протягивают между электродами 1 и 2, расстояние межу которыми . Емкость конденсатора будет C=s/[( -x)/ +x/ , где -диэлектрическая проницаемость воздуха.

Для измерения малых перемещений (до единиц микрометров), а также точного измерения быстроменяющихся сил и давлений применяются дифференциальные емкостные преобразователи с переменным зазором (Рис. 5,в). Средний электрод конденсатора укреплен на упругом элементе (мембране, упругой пластинке, растяжках) между неподвижными электродами 1 и 2.

Рассматриваемая схема может быть использована в приборах уравновешивания. Для этого усиленный сигнал с конденсатора после фазочувствительного детектирования может быть подан на обкладки 1 и 2, вследствие чего на средний электрод будет действовать электростатическая сила, уравновешивающая измеряе­мую силу. На Рис. 5, г и д показаны схемы устройства емкостных преобразователей с переменной площадью. В схеме на Рис. 5, г диэлектрик 1 перемещается по стрелке, а в схеме на Рис. 5, д один из электродов 2 жестко связан с валом и совершает угловые перемещения относительно неподвижного электрода 1.

Возможные области применения датчиков (в том числе и емкостных) чрезвычайно разнообразны, можно выделить лишь отдельные сферы:

* промышленная техника измерения и регулирования,

* робототехника,

* автомобилестроение,

* бытовая техника,

* медицинская техника.

Применимость того или иного датчика в этих сферах определяется прежде всего отношением цена/эф­фективность. При промышленном применении опре­деляющим фактором является погрешность, которая при регулировании процессов должна составлять 1...2%, а для задач контроля - 2...3%. В этих слу­чаях цены датчиков превышают 100 немецких марок ФРГ. Для специальных применений в области робо­тотехники и медицинской техники цены датчиков мо­гут достигать даже уровня 10...100 тыс. немецких ма­рок ФРГ. Благодаря внедрению новых технологий изготовления (высоковакуумное напыление, распыле­ние, химическое осаждение из газовой фазы, фотоли­тография и т. д.) и новых материалов непрерывно расширяются сферы применения датчиков, недоступ­ные ранее из-за их высокой цены.

ПОРЯДОК ПОДГОТОВКИ И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ.

· Определить у конденсатора, выданного преподавателем полный угол поворота.

· Подключить к конденсатору измерительное устройство. Построить снятую зависимость С=f(φ).

Определим погрешность δ= .

· Рассчитать изменение выходного сигнала при включении конденсатора в измерительный мост. При баланса моста Uвых=0, f=100мГц,С1=Сmin,R1=R2=1кОм.

Определить выходное напряжение по закону Кирхгофа

Uвых=I1*R2-I2*Xmin

Xcnmax=

Xcnmin=

Найдём I1,I2 при Uвх=5в

I1= ; I2=

 

 

· Схема для компенсации резистивной составляющей

Uвых=I1*R2-I1*Xmax

 

· Рассчитать предел изменения частоты полагая, что емкость включена в ПОС генератора с L=1мГн и построить зависимость f=f(φ)

 

· Сделать выводы по проделанной работе.

 

2)Цель работы: ознакомиться с работой резистивных датчиков угла поворота, приобрести навыки их градуировки, определить чувствительность резисторных датчиков.

Программа работы:

1. Ознакомиться с методикой градуировки датчиков

2. Для выданных преподавателем резистивных датчиков выписать справочные данные.

 

3. Разбить диапазон перемещения на 10 частей в зависимости от вида датчика и снять зависимость R=f(L).

4. Построить зависимость R=f(L)

5. Определить зависимость входного напряжения от перемещения L.

а) Для потенциометрического включения резистивного преобразователя.

б) Для реостатного включения резистивного преобразователя.

6. Сравнить с теоретическими графиками.

7. Сделать выводы

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:

Переменный резистор— электрический аппарат, служащий для регулировки и получения требуемой величины сопротивления. Как правило, состоит из проводящего элемента с устройством регулирования электрического сопротивления. Изменение сопротивления может осуществляться как плавно, так и ступенчато.

Изменением сопротивления цепи, в которую включен реостат, возможно достичь изменения величины тока или напряжения. При необходимости изменения тока или напряжения в небольших пределах реостат включают в цепь последовательно. Для получения значений тока и напряжения от нуля до максимального значения применяется потенциометрическое включение реостата, являющего в данном случае регулируемым делителем напряжения.

Резистивные датчики угла поворота- принципе, любой переменный резистор является таким датчиком по определению. Нормируется только функция угла, линейная или экспоненциальная. Кроме того, существуют

прецизионные резистивные датчики угла поворота с разрешением лучше угловой минуты.

Датчики перемещения реостатного типа представляют собой регулируемые омические сопротивления специальных исполнений. В отличие от обычных регулировочных реостатов к датчикам предъявляется требование — наличие определенной, однозначной зависимости между величиной сопротивления и перемещением.

Сопротивление проводника можно определить по следующей формуле:

R=ρl/S (1)

где ρ – удельное сопротивление материала проводника;

l – длина проводника;

S – площадь поперечного сечения проводника.

Из формулы (1) следует, что для изменения сопротивления надо изменить площадь или длину проводника. Легче всего изменять длину. Простейшим способом изменения сопротивления резистора за счет изменения длины проводника, является, перемещение отвода (скользящего контакта). Реостатные датчики (потенциометры) выполняются с продольным или круговым перемещением. При приложении к ползунку усилия или крутящего момента его продольное или угловое перемещение преобразуется в изменение сопротивления и далее в изменение снимаемого с реостата напряжения или протекающего тока. Так как длина проводника стоит в числителе, то зависимость сопротивления будет подчиняться линейному закону. Выходная величина, напряжение на резисторе, тоже будет изменяться линейно.

Часто применяют измерительные потенциометры, изменение сопротивления которых связано нелинейной зависимостью с перемещением ползунка. Эти функциональные потенциометры могут иметь квадратичную, синусоидальную или другую, отвечающую специальным требованиям, характеристику.

Для обеспечения минимальной обратной реакции необходимые для перемещения ползунка силы или моменты должны быть минимальны, что успешно достигается в прецизионных потенциометрах. Существуют конструкции реостатных датчиков, в которых момент, необходимый для перемещения ползунка, равен 4 мН-см, что позволяет в большинстве случаев пренебречь обратной реакцией.

Большое значение имеет разрешающая способность чувствительного элемента, определяемая изменением сопротивления между двумя соседними витками обмотки.

а) реостатный датчик линейных перемещений;

б) реостатный датчик угловых перемещений.

Погрешность реостатных датчиков определяются:

-ступенчатостью изменения сопротивления;

-изменением сопротивления от температуры;

-изменением свойств материала; это явление заметно в полупроводниковых датчиках, где погрешность может достигать 1—2%;

-отклонением фактической характеристики от расчетной. Нелинейность характеристики лежит в пределах 0,1—3%. При специальной намотке она может быть снижена до 0,01%.

В датчиках с ртутным контактом имеет место дополнительная погрешность 0,5—1% за счет явления поверхностного натяжения.

Преимуществами реостатных датчиков является: простота конструкции, дешевизна, большая чувствительность и выходная мощность, малые погрешности нелинейности; высокое разрешение; применимость в вычислительных устройствах.

На характеристику преобразования Y (X) реального датчика могут влиять различные внешние факторы (напряжение питания измерительной цепи, подключение нагрузки, изменение температуры окружающей среды и т.д.). В результате реальная характеристика Y (X) отличается от характеристики преобразования, соответствующей номинальным режимам работы датчика, и которую можно рассматривать как некоторую идеальную характеристику преобразования. Отклонение реальной характеристики преобразования от

идеальной представляет собой погрешность преобразования (измерения).

Различают абсолютную погрешность (Δ Y), выражаемую в единицах выходной величины Y, и относительную погрешность (δ), которую обычно определяют как отношение абсолютной погрешности к разности предельных значений выходной величины и

выражают в долях единицы или в процентах:

 

где Y - фактическое значение выходной величины датчика, соответствующее реальной характеристике преобразования; Y н - значение выходной величины, определяемое по идеальной характеристике преобразования при том же значении X; Y макс и Y мин - максимальное и минимальное значения выходного сигнала датчика (измерительной цепи).

Недостатки:

небольшой срок службы и малая надежность, связанные с истиранием скользящего контакта, значительное измерительное усилие.