Otchet_po_UIRgotovy
.docФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Кафедра «Автоматика»
ОТЧЕТ
ОБ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
по теме «Разработка и исследование преобразователя сигнала тензометрического датчика»
Разработал:
Андронычев Е.А.
Руководитель:
Селяев Н.А.
Москва 2013г.
РЕФЕРАТ
Отчет 13 стр., 5 рис., 6 источников
ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, ИЗМЕРЕНИЕ ДЕФОРМАЦИИ, ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ;
Объектом исследования является тензометрический датчик.
Цель работы – разработка и исследование преобразователя сигнала тензометрического датчика.
Проведена учебно-исследовательская работа.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………….………..4
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ……………………………....………...6
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ……………………………….....……...…7
1 Разработка схемы преобразователя.............................................7
2 Устройство и технические характеристики…………………....8
3 Схема преобразователя сигнала тензометрического датчика....10
РЕЗУЛЬТАТЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ………………………...11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………….…..12
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………….….13
ВВЕДЕНИЕ
Деформа́ция (от лат. deformatio — «искажение») — изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно деформация сопровождается изменением величин межатомных сил, мерой которого является упругое механическое напряжение.
В нашей жизни мы постоянно сталкиваемся и деформацией. Деформация растяжения, сжатия, сдвига, изгиба, кручения-все это может привести к разрушению конструкций, выводу техники из строя. Поэтому деформацию необходимо отслеживать и минимализировать.
Измерение деформации производится либо в процессе испытания материалов с целью определения их механических свойств, либо при исследовании сооружения в натуре или на моделях для суждения о величинах напряжений. Упругие деформации весьма малы, и их измерение требует высокой точности. Наиболее распространённый метод исследования деформации — с помощью тензометров. Кроме того, широко применяются тензодатчики сопротивления, поляризационно-оптический метод исследования напряжения, рентгеноструктурный анализ. Для суждения о местных пластических деформациях применяют накатку на поверхности изделия сетки, покрытие поверхности легко растрескивающимся лаком или хрупкими прокладками и т. д.
В данной работе использовался тензометрический датчик
Тензометрический датчик (от лат. tensus — напряжённый) (тензодатчик) — прибор для измерения деформации различных конструкций, тензометрии. Существует множество способов измерения деформаций: тензорезистивный, оптико-поляризационный, пьезорезистивный, волоконно-оптический или простым считыванием показаний с линейки механического тензодатчика. Среди электронных тензодатчиков, наибольшее распространение получили тензорезистивные датчики.
Тензорезистивный датчик обычно представляет собой специальную упругую конструкцию с закреплённым на ней тензорезистором и другими вспомогательными деталями. После калибровки, по изменению сопротивления тензорезистора можно вычислить степень деформации, которая будет пропорциональна силе, приложенной к конструкции.
Существуют разные типы датчиков:
-
датчики силы (измеряет усилия и нагрузки)
-
датчики давления (измерение давления в различных средах)
-
акселерометры (датчик ускорения)
-
датчики перемещения
-
датчики крутящего момента
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В ходе учебно-исследовательской работы необходимо разработать преобразователь сигнала тензометрического датчика.
Технические требования
-
В качестве датчика используется медицинский тензометрический датчик.
-
Диапазон измеряемых напряжений постоянного тока в диапазоне от 0 до 10 В.
-
Функция преобразования - линейная вида y(x)=А+Kx.
-
Основная погрешность преобразования – не более 0.5%.
-
Постоянная времени преобразователя не более 0,1 с.
-
Питание изделия должно осуществляться от источника напряжения постоянного тока ±15 В ±5%.
-
Условия эксплуатации – лабораторные.
Необходимо смоделировать схему в пакете Multisim, разработать печатную плату преобразователя в пакете Altium Designer. По разработанной схеме требуется изготовить и произвести монтаж печатной платы. Завершением УИР является исследование работы преобразователя на панели платформы NI ELVIS с использованием пакета Labview и написание отчета.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ
1 Разработка схемы преобразователя
Для питания датчика используется напряжение с NI ELVIS +5В и -5В и стабилизируется стабилизатором напряжения LM7805.(рис.1)
Рис.1- Расположение выводов
Для усиления напряжения используется усилитель напряжения AD620(Рис. 2), имеющий разводку стандартную для 8-контактного корпуса. Его коэффициент передачи устанавливается с помощью одного внешнего резистора номиналом 50Ом. В схеме используются конденсаторы номиналом 0,22мкФ, они играют роль фильтров высоких и низких частот.
Предполагаемый диапазон изменения выходного напряжения 0÷5 В.
Рис.2 – Расположение выводов
2 Устройство и технические характеристики
В качестве тензометрического датчика используется мост Уитстона.
В качестве усиления напряжения был выбран AD620, дающий на выходе 5 В.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ AD620
Набор устанавливаемых коэффициентов передачи 1 ... 10000
Коэффициент подавления синфазной помехи 90 дБ (G=10)
Малое время установления (до 0,01%) 20 мкс (G=10)
Малое напряжение смещения 50 мкВ
Малый дрейф напряжения смещения 0,6 мкВ/°С
Малый ток смещения 25 нА
Низкий уровень шумов (f=1кГц) 9 нВ/√(Гц)
Низкое потребление при однополярном питании 575 мкА
Широкий диапазон питающих напряжений +2,7 В...+12 В
Промышленный диапазон температур -40...+85oС
Корпус 8-контактный для всех модификаций DIP-8, SOIC-8, μSOIC-8
После усиления сигнала выяснилось, что нужно смещение нуля, для этого в работе используется операционный усилитель OP97.
Рис.3 Операционный усилитель OP97
Технические характеристики OP97
Скорость нарастания выходного напряжения |
0.2 V/µs |
Полоса пропускания -3Дб |
900kHz |
Ток - входного смещения |
30pA |
Напряжение входного смещения |
10µV |
Ток выходной |
380µA |
Напряжение-выходное, Single/Dual (±) |
±2 V ~ 20 V |
Рабочая температура |
-55°C ~ 125°C |
Тип монтажа |
Выводной |
Корпус (размер) |
8-CDIP (0.300", 7.62mm) |
Корпус |
8-CERDIP |
3 Схема преобразователя сигнала тензометрического датчика (Multisim, Altium Designer)
Рис. 4 – Схема преобразователя сигнала тензометрического датчика в Multisim 12.0
Рис.5 - Схема преобразователя сигнала транзисторного термодатчика в Altium Designer
РЕЗУЛЬТАТЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
В процессе конструирования была проведена учебно-исследовательская работа, составлен отчёт и конструкторская документация. Печатная плата была изготовлена в лабораторных условиях по ранее составленной схеме. Был произведён монтаж элементов на печатную плату.
В результате учебно-исследовательской работы получился преобразователь сигнала тензометрического датчика.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате данной УИР был создан опытный образец преобразователя сигнала тензометрического датчика. Изделие было изготовлено в соответствии с поставленными требованиями. Учебно-технический уровень данной УИР полностью соответствует современным требованиям, и в данной работе применялись все современные технологии. Было произведено оформление отчета и конструкторской документации на изделие.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
-
Интегрированное средство проектирования, пакет Multisim 10.1
-
Система автоматизированного проектирования электроники Altium Designer
-
Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники, т.1. Пер. с англ., М: Мир 1993, - 413 с.
-
Популярные контактные технологии термометрии
pmm@midaus.com
-
Конфлин Р., Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. Пер. с англ., М.: Мир 1979, - 360 с.
-
http://www.analog.com