Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Курсовая работа

по дисциплине интегральная схемотехника

на тему: Комплекс лабораторных работ «Измерительные преобразователи: емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический»

2015

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Задание на курсовую работу по дисциплине интегральная схемотехника студенту специальности биотехнические системы и технологии.

1 Тема курсовой работы Комплекс лабораторных работ «Измерительные преобразователи: емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический».

2 Срок подачи студентом законченной работы.

3 Исходные данные к работе: измерительные преобразователи: емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический.

4 Перечень подлежащих разработке в курсовой работе вопросов: описание аналоговых устройств, описание принципа работы измерительных преобразователей, создание принципиальных и структурной схем.



Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пояснительная записка

к курсовой работе по интегральной схемотехнике

на тему Комплекс лабораторных работ «Измерительные преобразователи: емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический»



Реферат

В данной курсовой работе разработан комплекс лабораторных работ «Измерительные преобразователи: емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический». Курсовой проект состоит из графической части и пояснительной записки.

Пояснительная записка состоит из двух частей. Первая часть посвящена основным характеристикам. Вторая часть - описанию устройства и содержит проектные расчеты.

Графическая часть выполнена в объеме четырех листов форматами: принципиальная схема емкостного преобразователя (А4), принципиальная схема индуктивного преобразователя (А4), принципиальная схема пьезоэлектрического преобразователя (А4), спецификация (А4).

Разработан комплекс лабораторных работ, который предназначен для изучения принципа работы измерительных преобразователей (емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический).

ЁМКОСТНЫЙ, ИНДУКТИВНЫЙ, ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР



Оглавление

• Введение
• Глава 1
• 1.1 Теоретические сведения об измерительных преобразователях
• 1.2 Обзор аналогичных устройств
• Глава 2
• 2.1 Конструкция лабораторного стенда
• 2.2 Принцип действия и конструкция преобразователей
• 2.2.1 Емкостный преобразователь
• 2.2.2 Индуктивный преобразователь
• 2.2.3 Пьезоэлектрический преобразователь
• 2.2.4 Проектные расчёты
• Заключение
• Список литературы


Введение

В данной курсовой работе требуется спроектировать теоретическую часть комплекса лабораторных работ для изучения измерительных преобразователей: емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический.

Задачи курсовой работы: изучение принципа работы лабораторного стенда, концепции, разработка структурной и принципиальной схемы, пояснительной записки.

В первой части представлены теоретические сведения об измерительных преобразователях и обзор аналогичных устройств.

Вторая часть содержит описание данного курсового проекта - лабораторного стенда, представлены принципиальная и структурная схемы.

Лабораторный стенд работает в комплексе с мультиметром и осциллографом.



Глава 1

1.1 Теоретические сведения об измерительных преобразователях

Измерительный преобразователь - это техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический измерительные преобразователи относятся к аналого-цифровым, т.е. предназначенных для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код.

По принципу действия емкостные преобразователи относятся к параметрическим преобразователям. В таких преобразователях электрическое поле создается приложенным напряжением, и они составляют группу емкостных преобразователей. Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом.

Индуктивный и пьезоэлектрический преобразователи по характеру преобразования относятся к генераторным преобразователям (датчикам), которые выдают на выход измерительный сигнал за счет собственной внутренней энергии и не нуждаются в каких-либо внешних источниках. Характерным примером такого рода датчика может служить датчик скорости вращения типа тахогенератора. Развиваемая тахогенератором ЭДС может быть пропорциональной скорости вращения его ротора.

1.2 Обзор аналогичных устройств

Данные преобразователи имеют довольно широкое применение, причем, как было сказано выше, не самостоятельно, а в составе различных устройств.

Так, возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности.

Рисунок 1 - ёмкостный датчик перемещения DCTH1000A

Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом; как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации; для позиционирования различных механизмов. Применяются для использования в системах горизонтирования платформ; определение величины прогибов и деформаций различного рода опор и балок; контроль углов наклона автомобильных и железных дорог при их строительстве, ремонте и эксплуатации; определение крена автомобилей, кораблей и подводных роботов и т. д.



Рисунок 2 - ёмкостный датчик давления

Так же, в медицине чаще всего используют емкостные датчики, обладающие высокой чувствительностью к различного рода перемещениям и работающие на изменении емкости конденсатора при изменении расстояния между его пластинами. Ими пользуются для регистрации различных перемещений, возникающих в органах и тканях,-- перемещения конечностей, движения крови по сосудам, кровяного давления.

Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность.

Недостатки - влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.

Измерительные приборы с индуктивными преобразователями заняли доминирующее положение среди электронных приборов для линейных измерений в диапазоне до 5-10 мм благодаря целому ряду несомненных преимуществ по сравнению с другими типами механических приборов и электрических преобразователей.

Рисунок 3 - Измерительный преобразователь в виде катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником

Индуктивными преобразователями оснащают многочисленные цеховые контрольные приборы и приспособления, приборы активного контроля в автоматическом производстве, а также лабораторные поверочные приборы, в том числе для аттестации и поверки индикаторов и концевых мер длины.

Рисунок 4 - измерительный преобразователь с USB интерфейсом

Фирма TESA (Швейцария) разработала и выпустила индуктивный преобразователь без кабеля (Рисунок 4). Преобразователь представляет собой конструкцию диаметром 8 мм, к верхнему концу которой приделана головка. В головке расположены микросхемы или микропроцессор, генератор, питающий катушки преобразователя, радиопередатчик, антенна и элементы питания. В комплект входит небольшой приемо-передающий блок, установленный отдельно. Связь между индуктивным преобразователем и приемо-передающим блоком (аналог Wi-Fi) осуществляется на частоте 2,4 ГГц.

Преимущества индуктивных датчиков: нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов; отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания; высокая частота переключений до 3000 Hz; устойчив к механическим воздействиям.

Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).

В качестве источника и приемника ультразвуковых колебаний при дефектоскопии металлов используют электроакустические преобразователи из пьезоэлектрических материалов (кварца, титаната бария и др.). При воздействии на пьезоэлектрическую пластину механических колебаний между ее поверхностями возникает электродвижущая сила. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое на-пряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения.

Прямой пьезоэффект используется:

· в пьезогенераторах электроэнергии разнообразного назначения;

· в пьезозажигалках, для получения высокого напряжения на разряднике от движения пальца;

· в контактном пьезоэлектрическом взрывателе (например, к выстрелам РПГ-7);

· в датчиках в качестве чувствительного к силе элемента (чем больше сила, тем выше напряжение на контактах), например, в силоизмерительных датчиках, датчиках давления жидкостей и газов;

· в качестве чувствительного элемента в микрофонах, гидрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, приёмных элементов сонаров;

Обратный пьезоэлектрический эффект используется:

· в акустических излучателях;

· в пьезокерамических излучателях звука (эффективны на высоких частотах и имеют небольшие габариты; такие например, встраиваются в музыкальные открытки, различные оповещатели, применяемые во всевозможных бытовых устройствах от наручных часов до кухонной техники);

· в ультразвуковых излучателях для увлажнителей воздуха, ультразвуковой гидроочистки (в частности, ультразвуковых стиральных машин и промышленных ультразвуковых ванн);

· в излучателях гидролокаторов (сонарах);

· в системах механических перемещений (активаторах);

· в системах сверхточного позиционирования, например в системе позиционирования иглы в сканирующем туннельном микроскопе или позиционер перемещения головки жёсткого диска;

· в адаптивной оптике, для изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала;

· в пьезоэлектрических двигателях;

· для подачи чернил в струйных принтерах;

Прямой и обратный эффект одновременно используются:

· в кварцевых резонаторах, используемых как эталон частоты;

· в пьезотрансформаторах для изменения напряжения высокой частоты;

· в приборах на эффекте поверхностных акустических волн;

· в ультразвуковых линиях задержки электронной аппаратуры.

Рисунок 5 - пьезокерамический излучатель звука

В медицинской практике пьезоэлектрические датчики используют для регистрации различных процессов, связанных с перемещением и вибрацией частей тела (пневмография, пульсография, механокардиография, сфигмография). К динамическим датчикам с пьезоэлементом относится и термопара, используемая для измерения температуры органов и тканей.

Все измерительные преобразователи используются в медицинской технике в терапевтических и диагностических приборах, таких как УЗИ - аппарат, ЭКГ, тонометр, миотонограф и многие другие.

Рисунок 6 - Преобразователи пьезоэлектрические виброизмерительные

Стоит отметить, что датчики, в составе с измерительными преобразователями, являются техническими аналогами рецепторов биологических систем.



Глава 2

2.1 Конструкция лабораторного стенда

Лабораторная работа предназначена для изучения измерительных преобразователей: ёмкостный, индуктивный, пьезоэлектрический.

Для комплекса лабораторных работ «Измерительные преобразователи: емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический», выполнен стенд, который схематично представлен на Рисунке 7.

Рисунок 7 - Схематичное изображение стенда - комплекс лабораторных работ «Измерительные преобразователи: емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический»

На стенде расположены генератор переменного тока и три измерительных преобразователя. Несущей основной стенда является каркас, на котором устанавливается все функциональные блоки с входными и выходными разъемами, органами управления и индикации. К стенду прилагаются соединительные провода для подключения измерительных приборов (мультиметр и осциллограф).



Рисунок 8 - Структурная схема

На переднюю панель стенда выведены следующие органы управления в индикации:

Кнопка включения питающей сети СЕТЬ с индикатором включения сети

Кнопка подачи питания на схемы А1, А2, А3 (см. Рисунок 7)

Схема А1:

§ Измерительная шкала перемещения сердечника.

§ Ручка сердечника.

§ Входные и выходные разъемы.

Схема А2:

§ Измерительная шкала перемещения пластинок конденсатора.

§ Винт микрометра.

§ Входные и выходные разъемы.

Схема А3:

§ Кнопка воздействия на пьезоэлемент.

§ Выходной разъем.



2.2 Принцип действия и конструкция преобразователей

2.2.1 Емкостный преобразователь

Рисунок 9 - ёмкостный измерительный преобразователь

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора. У преобразователя с прямоугольными электродами имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в котором емкость линейно зависит от х. Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами.

Основной характеристикой является емкость, характеризующаяся способностью накапливать электрический заряд.

измерительный преобразователь стенд конструкторский



Рисунок 10 - Мостовая схема с ёмкостным дифференциальным измерительным преобразователем

.В простейшем случае дифференциальный емкостный датчик представляет собой две последовательно включенные емкости, построенные конструктивно таким образом, что при увеличении одной из них другая уменьшается. Эти две емкости могут быть включены в мостовую схему (см. Рисунок 10) где два других плеча - реостатные. Если при этом напряжение, снимаемое с диагонали моста, использовать в качестве сигнала для следящей системы, перемещающей щетку потенциометра R в сторону уменьшения рассогласования, то всегда в установившемся состоянии следящей системы это напряжение U=0. При работе преобразователя последовательно с его емкостью С включается сопротивление R (см. Рисунок 9), специально предусмотренное или представляющее собой сопротивление подводящих проводов. В зависимости от соотношения сопротивлений активного сопротивления R и реактивного сопротивления преобразователь будет работать в разных режимах. Выходным параметром преобразователя является переменная составляющая напряжения U . Этот режим реализуется, в частности, на высоких частотах. Если

R << 1/WC или RWC << 1,



то падение напряжения будет и напряжение на нагрузке U_r и напряжение U const, т. е. преобразователь работает в режиме заданного напряжения. Для такого режима выходной величиной является ток. Такой режим имеет место на малых частотах.

Мостовые нулевые схемы с линейными относительно частоты и напряжения сопротивлениями в плечах, предъявляют значительно меньшие требования к стабильности источника питания. Из генератора поступает переменный ток на нагрузочный резистор R3, затем на диодный мост (мостовую схему). Мостовая схема включения диода применяется для уменьшения пульсации на нагрузке. С мостовой схемы сигнал возвращается на генератор. Генератор меняет полярность, и ток поступает на контур измерительного преобразователя.

Затем ток поступает на конденсатор С₃, конденсатор заряжается, так что напряжение на С₃ пропорционально разности потенциалов A и B. Выходное напряжение фиксируется мультиметром.

2.2.2 Индуктивный преобразователь

Рисунок 11 - Мостовая схема двухобмоточного преобразователя

В мостовой схеме индуктивного датчика (см. рисунок 11) якорь 3 перемещается между двумя сердечниками 1 и 2, на которых имеются обмотки, включенные в плечи моста L₁, L₂, R₁, R₂. К одной диагонали моста подводится напряжение питания U₀ переменного тока, со второй диагонали снимается выходное напряжение U . Если якорь 3 занимает нейтральное положение, то индуктивности двух дросселей L₁ и L₂ одинаковы и мост сбалансирован. Выходное напряжение при этом равно нулю. При отклонении якоря от нейтрали баланс моста нарушается, так как индуктивность одного дросселя увеличивается, а второго - уменьшается. Изменение направления отклонения якоря вызывает изменение фазы выходного напряжения на 180⁰ , т.е. характеристика мостового датчика является реверсивной. Силы притяжения якоря к сердечникам возникают и в этом случае, но они направлены в противоположные стороны и поэтому почти полностью взаимно компенсируются. Вследствие этого для перемещения якоря нужно прикладывать очень незначительное усилие.

Рисунок 12 - Принципиальная схема индуктивного преобразователя

2.2.3 Пьезоэлектрический преобразователь

Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя основан на измерении напряжения, возникающего в результате его деформации и возникновения на электродах противоположных электрических зарядов, на поверхности пьезоэлемента. Существует и обратный пьезоэлектрический эффект - возникновение механических деформаций под действием электрического поля.

Преобразователь состоит из керамического преобразователя, к которому подведены электроды, которые соединяются проводами с осциллографом. Данная конструкция предназначена для демонстрации прямого пьезоэффекта.

Рисунок 13 - Принципиальная схема пьезоэлектрического преобразователя

Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина возникающего при этом напряжения измеряется измерительным прибором - осциллографом, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.

2.2.4 Проектные расчёты

1. Ёмкостный преобразователь:



(1)

где С - ёмкость;

е₀- диэлектрическая постоянная;

е- относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками;

S - активная площадь обкладок;

h-расстояние между обкладками;

е₀=8,854187817…* 10^-12 (Ф/м)

е_{воздуха}=1

S=100 (см²) =10^-2 (м²)

h_min=0,2*10^-2 (м)

h_max=1*10^-2 (м)

2. Индуктивный преобразователь

(2)

где L - индуктивность;

µ₀-магнитная постоянная;

µ_r - относительная магнитная проницаемость материала сердечника;

S_e - площадь сечения;

l_e - длина средней линии сердечника;

N - число витков;

µ₀= 4·р·10^-7 (Гн/м)

µ_{r(феррат)}=400

µ_{r(воздуха)}=1

l_e=50 (мм) =5·10^-2(м)

S_e=р·r² (3)

где r - радиус сердечника;

r=4·10^-3 (м)

S_e=р·16·10^-6=50,27·10^-6 (м²)

Для воздуха:

Для сердечника:



Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован комплекс лабораторных работ «Измерительные преобразователи: емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический».

В процессе выполнения проекта была выполнена разработка конструкции стенда и составляющих его элементов, проведены основные конструкторские расчеты.

В связи с этим, можно сделать вывод, что все пункты технического задания выполнены полностью, допускается дальнейшее усовершенствование разработанной конструкции.



Список литературы

1. Исследование индуктивных датчиков: Методическое руководство к лабораторной работе для студентов всех специальностей и форм обучения горно-нефтяного факультета / Аристов Е.В., Хузин Р.А. -Пермь , 2007.

2. Электрические измерения (с лабораторными работами): Учебник для техникумов / Р.М. Демидова-Панферова, В.Н. Малиновский, В.С. Попов и др.: Под ред. В.Н. Малиновского.-М.: Энергоиздат, 1983.-392 с., ил.

3. Электрические измерения. Лабораторный практикум. Бартновский А. Л. Издательское объединение «Вища школа», 1977, 216 стр.

4. [http://guarda.ru/capacity/14]

5. [http://vunivere.ru/work11173]

6. [http://mash-xxl.info]

Размещено на Allbest.ru