Информационные устройства и системы в мехатронике

5. Что отражает спектральная характеристика светодиода?

6. Чем определяется к.п.д. оптического датчика?

7. Приведите примеры применения оптических датчиков в мехатронике.

Лабораторная работа № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

1. Цель лабораторной работы

Изучить виды и спектры периодических сигналов, формируемые датчиками мехатронных устройств и систем. Освоить методику измерения параметров сигналов во временной и частотной области.

2. Основные теоретические положения

Сигналы, поступающие с датчиков, в большинстве, случаев изменяются непрерывно во времени. Анализ таких сигналов во временной области не позволяет достаточно полно отразить работу системы или механизма. Это характерно для испытаний механических систем (автомобилей, станков), где исследуются вибрация, скорость, ускорение и т.д.

Чтобы обойти ограничения анализа во временной области, на практике применяют частотный, или спектральный, анализ вибрационного сигнала. Если временная реализация есть график во временной области , то спектр - это график в частотной области. Частота и время связаны друг с другом следующей зависимостью:

Время= 1/Частота;

Частота= 1/Время

Временная реализация вибрации несет в себе большое количество информации, которая для невооруженного глаза незаметна. Часть этой информации может приходиться на очень слабые компоненты. Тем не менее, подобные слабые компоненты могут быть важны для выявления развивающихся в машине неисправностей, например, дефектов подшипников.

Суть диагностики и обслуживания по состоянию, заключается, в обнаружении на раннем этапе зарождающихся неисправностей. Это может быть сделано по результатам спектрального анализа сигналов вибрации. В данной лабораторной работе исследуются спектры периодических сигналов, используемых в мехатронных системах. Анализируется зависимость спектра от формы сигнала во временной области. Если электрическая цепь является линейной (параметры ее элементов не зависят от времени, напряжения, тока), то для анализа процессов в такой цепи может использоваться гармонический метод, согласно которому периодическая несинусоидальная функция f(t), удовлетворяющая условиям Дирихле, может быть разложена в ряд Фурье:

(1)

где А₀ - постоянная составляющая; к=1,2,... - номер гармонической составляющей; =2р/Т - частота основной (первой) гармоники; Т - период функции f(t). Отметим, что постоянная составляющая иногда называется нулевой гармоникой. Другая форма ряда Фурье имеет вид:

(2)

Между выражениями (1) и (2) имеется связь:

Составляющая А_mksin(kt + k) называется гармоникой. При k =1 мы имеем первую (основную) гармонику. Если известно аналитическое выражение функции f(t) известно, то коэффициенты ряда (1) могут быть найдены по формулам:

Простейшим периодическим сигналом является гармоническое колебание

Другим примером периодического сигнала является последовательность импульсов. Такая последовательность представляет фактически сумму синусоид с разными амплитудами и частотами

,

где .

Как видно из рис. 2.18, сумма синусоид не так уж сильно отличается от прямоугольных импульсов. Степень «прямоугольности» импульсов определяется тем, сколько синусоид со все более высокими частотами колебаний мы будем суммировать.

Рис. 2.18. Формирование периодической последовательности импульсов.

3. Программа работы

1. Исследование спектров периодических сигналов различной формы.

2. Исследование влияния нелинейных цепей на форму и спектры периодических сигналов.

4. Состав лабораторного оборудования

Лабораторная работа выполняется с помощью виртуальной установки, выполненной с помощью пакета графического программирования LabVIEW. Установка включает многофункциональный генератор, генерирующий периодические сигналы разной формы.

Для исследования сигналов во временной и частотной области используются, соответственно, виртуальные осциллограф и анализатор спектра. В работе исследуется влияние нелинейных цепей, таких как одно- и двухполупериодные выпрямители.

Лабораторная работа № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СХЕМ МЕХАТРОНИКИ

1. Цель лабораторной работы

Исследовать работу электронных устройств мехатроники, формирующих цифровые сигналы. Изучить и исследовать работу преобразователя «перемещение-частота».

2. Основные теоретические положения

Неотъемлемым элементом мехатронных устройств являются электронные схемы, предназначенные для генерирования, преобразования и отображения цифровых (импульсных) сигналов.

Примером импульсного генератора является таймер, собранный на микросхеме NE555N (КР1006ВИ1 - российский аналог). Схема данного генератора изображена на рис. 2.19а.

Рис. 2.19

Таймер генерирует периодическую последовательность импульсов (рис. 2.19b), период, частоту следования и длительность которых можно определить по формулам

Коэффициент заполнения периодической последовательности импульсов равен отношению длительности импульса к периоду их следования и определяется как

.

Здесь R₁ и R₂ задаются в Омах, а С в фарадах. Если резистор R₂ заменить резистивным датчиком перемещения, подключенный к схеме через дополнительный резистор R₃ (рис. 2.20), то мы получим преобразователь «перемещение - частота». Частота импульсов на выходе генератора зависит от величины перемещения движка резистивного датчика.

Рис. 2.20

Количество генерируемых за определенный период времени импульсов может быть подсчитано соответствующим счетчиком, например 4-х битным счетчиком К155ИЕ5 (рис. 2.21).

Рис. 2.21

Подключив к выходам счетчика светодиоды, можно пронаблюдать визуально в двоичном коде количество зафиксированных счетчиком импульсов.

3. Программа работы

1. Исследование работы цифрового таймера.

2. Исследование счетчика импульсов с помощью виртуального прибора чтения цифровых сигналов.

4. Состав лабораторного оборудования

Лабораторная установка состоит из настольной рабочей станции (рис. 1.1), оснащенной специальной макетной платой (рис. 1.2). Для проведения экспериментальных измерений используется набор элементов, состоящий из резисторов R₁ = 20 кОм, R₂ = 130 кОм, R₃ = 20 кОм, конденсатора С = 0.68 мкФ и микросхем NE555N и К155ИЕ5. В качестве измерительных приборов в данной лабораторной работе используются виртуальные приборы NI ELVIS: Digital Multimeter (Цифровой мультиметр), Digital Reader (Устройство чтения с цифровой шины) и Oscilloscope (Осциллограф).

5. Порядок выполнения работы

5.1 Исследование работы цифрового таймера

1. С помощью запускающего модуля (рис. 1.4) активизируйте виртуальные приборы Digital Multimeter (Цифровой мультиметр) и Oscilloscope (Осциллограф.

2. Подключите последовательно ко входу мультиметра (гнезда HI, LO на монтажной плате) резисторы и конденсатор, измерьте и запишите их значения. Измерения производите при включенном питании на плате. По найденным значениям проведите расчет параметров импульсной последовательности по вышеприведенным формулам: Т = сек; F = Гц; = сек.

3. При выключенном питании соберите электронный таймер в соответствии со схемой (рис. 2.19а). Соедините выход таймера (вывод 3 и «земля» микросхемы NE555N) с гнездами осциллографа [CHA+] и [CHA-]. В качестве источника для канала А установите [BNC/Board CH A]. Включите питание монтажной платы. На экране осциллографа наблюдайте цифровой сигнал в виде последовательности импульсов. Источником триггерного сигнала (Trigger Source) назначьте канал А (CHA). В этом случае тип триггера (Trigger Type) будет аналоговым [Analog(SW)], что позволит вам установить фронт и уровень срабатывания (Trigger slope и Level). Установите уровень + 1 В.

Используя опцию [MEAS] для канала А, определите частоту сигнала. Нажмите кнопку включения курсоров для канала А (CURSORS CH A). Перетаскивая курсоры, измерьте период и коэффициент заполнения. Заполните следующую таблицу: Т = сек; F = Гц; = сек. Вычислите коэффициент заполнения К = / Т. Сравните измеренные значения со значениями вычисленными ранее. Сделайте выводы.

4. Выключите питание монтажной платы. Соберите преобразователь «перемещение-частота» в соответствии со схемой, показанной на рис. 2.20. Для этого вместо резистора R₂ подключите через дополнительный резистор R₃ датчик перемещения.

Подать питание на плату и с помощью осциллографа измерить частоту импульсов в зависимости от относительного расстояния датчика перемещения. Результаты измерения занести в табл. 2.9.

Таблица 2.9. Исследование преобразователя «перемещение - частота».

5. По результатам измерения построить график функции преобразования F (). Оцените линейность функции. Для нескольких значений определите величину коэффициента преобразования К_пр = F/. Сделайте выводы.

5.2. Исследование счетчика импульсов

1. В соответствии с рис. 2.21 соберите схему, объединяющую таймер со счетчиком К155ИЕ5. Соедините выходы счетчика с пятью зелеными светодиодами на плате (гнезда LED) и линиями цифровой шины ввода/вывода (гнезда DI) в следующем порядке:

Q1 контакт 12 с LED<4> и DI<4>,

Q2 контакт 9 с LED<5> и DI<5>,

Q4 контакт 8 с LED<6> и DI<6>,

Q8 контакт 11 с LED<7> и DI<7>,

контакт 3 таймера 555 с LED<0> и DI<0>.

2. Подайте питание на макетную плату и наблюдайте за светодиодами, как происходит двоичный подсчет. Если схема тактового генератора работает правильно, то наблюдаются вспышки светодиода младшего разряда. В окне ВП Digital Bus Reader наблюдайте за состоянием линий (4 - 7) цифровой линии ввода/вывода. По результатам наблюдения сделайте соответствующие записи и выводы.

6. Контрольные вопросы

1. Какой принцип заложен в работу оптических датчиков?

2. От каких параметров зависит чувствительность фотодатчиков?

3. Изобразите типовые включения светодиодов и фотодиодов.

4. Какую зависимость отражает вольтамперная характеристика светодиодов и фотодиодов?

5. Что отражает спектральная характеристика светодиода?

6. Чем определяется к.п.д. оптического датчика?

7. Приведите примеры применения оптических датчиков в мехатронике.

Литература

1. Котюк А.Ф. Датчики в современных измерениях. - М.: Горячая линия-Телеком, 2006.

2. Яковлев В.Ф., Соснин Д.А. Новейшие автомобильные электронные системы: Датчики ЭСАУ; Электронное управление ДВС; Бортовые функциональные преобразователи и др. Уч. пос. для студ. машин. Вузов, - М.: «Салон-пресс», 2005.

3. Лобанов В.И. Азбука разработчика цифровых систем/ в.И. Лобанов. - М.: Горячая линия-Телеком, 2001.

Размещено на Allbest.ru