Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Сравнительный анализ существующих схемных решений

2. Разработка функциональной схемы измерительного устройства

3. Выбор элементов и их статический расчет

3.1 Выбор и расчет источника света

3.2 Выбор и расчет генератора акустической волны

3.3 Выбор и расчет ПЗС-камеры

3.4 Выбор и расчет блока питания

4. Разработка принципиальной схемы

4.1 Принципиальная электрическая схема пьезоэлектрического ультразвукового приемопередатчика и схемы его включения.

5. Описание конструкции

Заключение

Литература

Введение

В данной курсовой работе была поставлена задача разработать устройство для измерения скорости звука. В современной промышленности существует большое количество устройств для измерения для измерения скорости звука, но практически отсутствуют универсальные устройства, предназначенные для нескольких сред измерений.

Целью данной работы является разработка целиком законченного устройства, которое способно полностью обеспечить решение поставленной задачи.

Назначением разрабатываемого устройства является измерение скорости звука в различных жидкостях (вода, глицерин, бензин). Жидкости заливаются в фиксированный объем.

Кроме того, задано напряжение питания: 220 В 50 Гц, и выходной сигнал устройства: 16-ти разрядный параллельных код.

Допустимая техническим заданием погрешность измерения составляет 5%.

Данное устройство предназначено, прежде всего для определения скорости звука, в частности в воде при гидрологических исследованиях океана, в бензине для определения его сортности и т.д.

1. Сравнительный анализ существующих схемных решений

Для заданной темы курсового проекта был осуществлен патентный и библиографический поиск существующих схемных решений. В целом, стоит отметить, что устройств, близких по своему назначению к разрабатываемому, существует большое количество. Но все они либо унифицированы, либо, наоборот, сконструированы для конкретной задачи. Но найти устройство, которое могло бы полностью обеспечить требуемые измерения с заданными параметрами, не удалось.

В базе патентов Федерального института промышленной собственности было отобрано два наиболее близких устройства, и был взят один иностранный аналог.

1.1 RU 2244270 C1 - Измеритель скорости звука в жидкой среде [1]

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для определения скорости звука в жидкостях, воде, в текущих жидкостях и сыпучих средах. Предложенный измеритель содержит акустический приемопередающий преобразователь, один отражатель, усилитель мощности и предварительный усилитель, вход которого соединен с выходом усилителя мощности и подключен к преобразователю. Дополнительно введены второй отражатель, генератор, генератор строба, компаратор, микроконтроллер, датчик температуры и дисплей. Причем первый, второй и третий входы генератора соединены соответственно с выходом компаратора, первым выходом микроконтроллера и первым выходом генератора строба, второй выход которого подключен к одноименному входу компаратора, первый вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, первый вход генератора строба соединен одновременно со вторым выходом генератора и одним из входов микроконтроллера, другой его вход подключен к датчику температуры, второй вход генератора строба соединен со вторым выходом микроконтроллера, третий выход которого подключен ко входу дисплея. Технический результат: повышение точности измерения скорости звука в жидкостях за счет введения общего основания, на котором жестко закреплены акустический приемопередающий преобразователь и два отражателя.

Применять это устройство к решению нашей проблемы несколько нецелесообразно, т.к. оно измеряет скорость звука не только в жидкостях, но и в других средах. Соответственно происходит усложнение конструкции, что экономически невыгодно.

1.2 US 5936160 - Method and apparatus for measuring sound velocity in liquid [2]

A method and apparatus for measuring sound velocity in a liquid, said method comprising the transmitting of a sound pulse or a group of sound pulses to the liquid to be measured and the measuring of the transit time of the sound pulse or the group of sound pulses in the liquid to be measured. To improve the accuracy of measurement, the sound pulse or the group of sound pulses is simultaneously transmitted with one and the same transmitter both to the liquid to be measured and to the reference material in which sound velocity is previously known. The sound pulse or the group of sound pulses arriving from the liquid to be measured and from the reference material is received and the time interval is measured with one and the same measuring means.

Данный способ измерения требует очень тщательного контроля времени, что в реальности может быть не всегда достигнуто, хотя сам изложенный метод достаточно прост.

1.3 RU 2221224 C1 - Способ определения скорости звука [3]

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в самых разных областях науки и техники для определения скорости звука в прозрачных жидкостях и твердых телах. Способ определения скорости звука, состоящий в том, что в исследуемой среде возбуждают бегущую акустическую волну, направляют в область распространения волны световой пучок, диаметр которого и длина указанной волны являются величинами одного порядка, на выходе из среды регистрируют переменные составляющие интенсивности светового пучка в двух точках, разнесенных на известную величину в направлении распространения волны, и определяют разность фаз упомянутых переменных составляющих, по которым и судят о скорости звука, отличающийся тем, что переменные составляющие интенсивности светового пучка регистрируют в зоне дифракции Френеля, при этом разнесение точек регистрации выбирают меньшим диаметра светового пучка.

По своим технико-производственным характеристикам этот метод измерения вполне подходит для использования в разработке устройства.

2. Разработка функциональной схемы измерительного устройства

Физическая сущность явления, положенного в основу метода.

Основным физическим явлением, положенным в качестве основы является дифракция света на пространственной структуре. Условия, соответствующие правильной решетке, могут быть осуществлены искусственно с помощью ультразвуковых волн. Если тепловое движение в жидкости описывать как набор упругих волн всевозможных частот, плоская световая волна, вступающая в такую среду, дифрагирует на упругой волне. Бегущая в жидкости ультразвуковая волна представляет собой следующие друг за другом области сжатия и растяжения среды. Для света жидкость, в которой идет ультразвуковая волна, является фазовой дифракционной решеткой (фазовая дифракционная решетка отличается от амплитудной своей способностью изменять фазу волны [14, 159 c.] ), т.к. при прохождении света через столб жидкости меняется не амплитуда, а фаза световой волны. Получающаяся фазовая решетка будет иметь период, равный длине ультразвуковой волны. На рисунке 1 представлена схема дифракции света на ультразвуковых волнах.

Рисунок 1 - Дифракция света на ультразвуковых волнах в жидкости.

Пусть лзв - длина звуковой волны в жидкости; л - длина световой волны; Иm - угол отклонения дифракционного спектра m-го порядка. Тогда выполняется соотношение:

. (1)

Если обозначить через А расстояние от экрана до звуковой волны, а через hm - расстояние между центральным максимумом и максимумом m-го порядка, то когда А велико по сравнению с hm, sin Иm можно заменить отношением hm/А и тогда:

. (2)

Из соотношения (2) следует, что уменьшение длины ультразвуковой волны, увеличивает расстояние между дифракционными максимумами. Поэтому данное явление дифракции может лечь в основу точного метода измерения длины волны и скорости звука в жидкости [14].

Работает устройство по следующему принципу. В исследуемой среде возбуждают бегущую акустическую волну, направляют в область распространения волны в исследуемой среде световой пучок, диаметр которого и длина указанной волны являются величинами одного порядка, на выходе из среды регистрируют переменные расстояния между дифракционными максимумами.

В частности, световой пучок пропускают через исследуемую среду в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. При этом длину Л акустической волны и длину L области взаимодействия световой и акустической волн выбирают из условия:

для того чтобы учесть интерференцию между дифрагированными лучами.

Исходя из изложенного выше явления и принципа работы устройства была разработана функциональная схема, показанная на рисунке 2.

Рисунок 2 - Функциональная схема устройства (ИП - источник питания; БП - блок питания 5-6 В; ИГ - импульсный генератор; ИС - источник света (лазер); ГН - генератор служит для возбуждения акустической волны; К - ПЗС камера; МК - микроконтроллер служит для обработки информации).

3. Выбор элементов и их статический расчет

В целом необходимо выбрать и рассчитать шесть элементов: блок питания, источник света, импульсный генератор, генератор, гаситель, ПЗС-камеру.

Перед началом выбора элементов, необходимо рассчитать примерные параметры устройств в зависимости от допустимой погрешности измерений, и в зависимости от принципа работы устройства.

Принцип работы:

В исследуемой среде возбуждают бегущую акустическую волну. Направляют в область распространения волны в исследуемой среде световой пучок, диаметр которого и длина акустической волны являются величинами одного порядка. Т.е. в данном случае продольная акустическая волна является для света тонкой фазовой решеткой. При этом период решетки равен длине соответствующей волны. Т.е. выполняется соотношение Вульфа-Бреггов:

, где

лзв - длина звуковой волны в жидкости; л - длина световой волны; Иm - угол отклонения дифракционного спектра m-го порядка.

Если обозначить через А расстояние от экрана до звуковой волны, а через hm - расстояние между центральным максимумом и максимумом m-го порядка, то когда А велико по сравнению с hm, sin Иm можно заменить отношением hm/А и тогда:

н - частота звуковой волны.

3.1 Выбор и статический расчет источника света

В качестве источника света выбран диодный лазер FAX-RL5-19 фирмы «Diode Laser Concepts, Inc». Он обладает диаметром пучка 1,0 мм, длиной волны 650 нм, выходной мощностью 5 мВ, рабочий ток ном/мах - 40/70 мА. Напряжение питания 5 В сети постоянного тока, рабочие температуры от -400 С до + 800 С.

измерительный акустический пьезоэлектрический ультразвуковой

3.2 Выбор и статический расчет генератора акустической волны

Т.к. диаметр светового пучка равен 1.0 мм, то длина волны должна быть в пределах 1-9 мм. Диапазон частот акустических волн составляет 0,1…2МГц.

В качестве генератора акустической волны выбран ультразвуковой пьезоэлектрический приемопередатчик MA400A1 фирмы «Murata Manufacturing Co., Ltd.» подключенный в режиме «Передатчик». Номинальная рабочая частота составляет 0,4±0,02МГц. Максимальное входное напряжение: 100 В (импульсы 0,125мс через 10мс).

В качестве источника питания для передатчика используется генератор гармонических колебаний на полосовом фильтре на КМОП инверторах, также может быть использован импульсный генератор Г5-88.

3.3 Выбор и статический расчет ПЗС-камеры

В данном устройстве было решено использовать цифровую ПЗС-камеру S1С НПП «Силар» на базе матричного фоточувствительного ПЗС-датчика ISD-078. Он имеет квадратную активную зону шириной 8,2 мм, число элементов 512*512, размер ячейки 16*16 мкм, рабочий спектральный диапазон Дл=200ч1000нм, имеет интерфейс к компьютеру - PCI плюс переходной адаптер к USB-порту компьютера.

Перед камерой целесообразно установить интерференционный фильтр, как дополнительную защиту от помех.

Выбран фильтр FB650-10 фирмы «ThorLabs, Inc».

3.4 Выбор и статический расчет блока питания

В схеме основным потребителем питания является диодный лазер. Максимальная потребляемая мощность лазера 350мВт.Передатчик получает питание через генератор, а тот в свою очередь, от сети переменного тока 220В. ПЗС-камера питается от встроенного блока питания 220В, 50Гц, 15 Вт,

Исходя из принципиальной схемы потребителями энергии также являются микроконтроллер; супервизор питания со схемой защиты от зависаний; генератор гармонических колебаний.

Микроконтроллер - 1.5 Вт.

Супервизор питания - 150 мВт.

Генератор - 600 мВт.

Исходя из этих данных, нужно выбрать блок питания на 5 В, мощностью 5 Вт.

Выбран блок питания фирмы Advanced Power Solutions. Модель APS05ES/1-050100-1.

Основные характеристики блока питания приведены в таблице.

Таблица 1 - Основные характеристики блока питания APS05ES/1-050100-1.

4. Разработка принципиальной электрической схемы

Для разработки принципиальной электрической схемы, был осуществлен поиск по схемам в Интернете, по журналам.

Была выбрана принципиальная электрическая схема для пьезоэлектрического ультразвукового приемопередатчика.

4.1 Принципиальная электрическая схема пьезоэлектрического ультразвукового приемопередатчика и схемы его включения

Принципиальная электрическая схема взята с сайта www.ComputerBooks.ru и из каталога фирмы Murata и была дополнена недостающими элементами.

Принципиальная схема ультразвукового передатчика изображена на рисунке 3. В качестве генератора было решено использовать генератор гармонических колебаний на полосовых фильтрах на КМОП инверторах [15] с цифровым управлением, показанным на рисунке 4.

Рисунок 3 - Принципиальная схема ультразвукового приемопередатчика.

Рисунок 4 - Электрическая схема гармонического генератора.

Схема генератора гармонических колебаний приведена на рисунке 4. На элементах DD1.2-DD1.4 выполнен полосовой фильтр, на элементе DD1.1 - усилитель обратной связи и на элементах DD2.1-2.4 и Rm - матрица сопротивлений с цифровым управлением. Структура фильтра позволяет получать на выходах противофазные напряжения, для чего необходимо использовать дополнительно Uвых2. Входы In0 и In1 являются цифровыми входами управления частотой генерации.

Ниже приведена методика расчета генератора.

1. Зададим fmin - нижняя частота генерации, Дf - шаг перестройки, n - число разрядов двоичного сигнала цифрового управления.

fmin=380 Кгц;

Дf=20 КГц;

n=2.

2. Примем С1=С2=С , R7=R5=К

3. Пусть С = 200 пФ, тогда из формулы резонансной частоты полосового фильтра найдем R:

4. Определим значение Rm по формуле:

5. Определим значение fmax по формуле:

6. Определим R3 по формуле:

7. Определим R2 из соотношения:

8. Сопротивления в матрице проводимостей определяются по формуле:

В генераторе можно использовать микросхемы К561ЛА7, К561 ЛЕ5 при включении по схеме инверторов, но использование импортных аналогов (ТС4011) более предпочтительно.

В результате была получена электрическая схема, представленная на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема электрическая принципиальная.

5. Описание конструкции

Поскольку разрабатываемое устройство является измерительным и основано на оптических эффектах, то было принято решение выполнить устройство в закрытом корпусе, для уменьшения влияния помех на результаты измерений. Объем жидкости для измерений составляет 19.7 см3.

Устройство имеет сливное и заливное отверстия с откручивающимися пробками, через которые осуществляется слив/залив жидкости. Устройство имеет резиновые прокладки между корпусом и лазером для обеспечения герметичности. Передатчик жестко закреплен в втулке, которая вкручивается в корпус. Корпус состоит из двух частей, которые скрепляются при помощи болтов, что позволяет разобрать устройство в случае необходимости.

Сборочный чертеж устройства прилагается.

Заключение

Итогом работы является разработка законченного устройства, которое в полной мере и с необходимой точностью способно измерять скорость звука в различных жидкостях (вода, глицерин, бензин).

В процессе разработки, использовался опыт подобных устройств как отечественных, так и зарубежных конструкторов и производителей.

На основе патентного и библиографического поиска был выбран наилучший способ решения поставленной задачи, сочетающий в себе простоту конструкции, надежность и относительную небольшую стоимость компонентов.

В результате проделанной работы разработано устройство для измерения скорости звука, основанное на явлении дифракции света на звуковой волне. Это позволяет более точно определять скорость, т.к. измерения не зависят от времени. Устройство позволяет определить скорость звука для любой жидкости. Устройство малочувствительно к внешним засветкам, имеет защиту от зависаний, имеет малое энергопотребление и питается от одного блока питания на 5В мощностью 5 Вт. Датчик сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания в пределах 4-6 В.

Устройство обладает следующими характеристиками:

погрешность измерений не превышает 5 %;

напряжение питания 220 В 50 Гц;

выходной сигнал устройства 16-ти разрядный параллельный код обеспечивается компьютером, к которому устройство подключается при помощи USB кабеля.

Разработанное устройство является полностью законченным и совмещает в себе прежде всего простоту конструкции и надежность работы.

Литература

1 Пат. 2247270 (РФ). Измеритель скорости звука в жидкой среде / Бородин А.М.; Александрова Н.В. - Заявлено 26.05.2003; Опубл. 10.01.2005.

2 Пат. 5.936.160 (US). Method and apparatus for measuring sound velocity in liquid / Salo; Harri (FI). - Заявлено 22.01.1998; Опубл. 10.08.1999.

3 Пат. 2221224 (РФ). Способ определения скорости звука / Коломиец С.М. - Заявлено 20.06.2002; Опубл. 10.01.2004.

4 Ишанин Г.Г., Козлов В.В. Источники излучения - СПб.: СПБГУИТМО, 2004.- 395 с.

5 Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения - СПб.: Папирус, 2003.- 528 с.

6 Якубовский С.В., Барканов Н.А., Кудряшов Б.П. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - М.: Сов. радио, 1979.- 336 с.

7 Панов В.А., Кругер М.Я., Кулагин В.В. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. - Л.: Машиностроение, 1980. - 742 с.

8 http://www.globalspec.com

9 http://www.atmel.com

10 http://www.micronas.com

11 http://www.ti.com

12 http://www.ComputerBooks.ru

13 Интеллектуальный малогабаритный фотодатчик, работающий на отражение / Николайчук О. - Схемотехника, 2001, вып №7, с.60-63.

14 Саржевский А.М. Оптика. Полный курс. - М.: Едиториал УРСС, 2004.- 608 с.

15 Полосовой фильтр на КМОП инверторах / Онышко Д. - Схемотехника, 2001, вып №7, с.58-59.

Размещено на Allbest.ru