ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Российской Федерации

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Управление промышленной и экологической безопасностью»

Д.Г. ЛЕВАШКИН, А.В. ГРИЩЕНКО

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

для студентов технических специальностей вузов

Тольятти, ТГУ 2009

УДК 658.382

ББК 32.965

Л 35

Левашкин Д.Г., Грищенко А.В. Системы автоматического контроля: Лабораторный практикум для студентов технических специальностей вузов. – Тольятти.: Тольяттинский государственный университет, 2009 – 60 с.

В данном учебном пособии приведен комплекс лабораторно-практических работ по дисциплине «Системы автоматического контроля» с блоком самоконтроля, заданиями и указаниями для выполнения самостоятельной работы.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности «Безопасность технологических процессов и производств» всех форм обучения по дисциплине «Системы автоматического контроля».

Рецензент: к.т.н., доцент Тольяттинского государственного университета В.И.Малышев

Рекомендовано к изданию методической комиссией автомеханического института Тольяттинского государственного университета.

© Д.Г. Левашкин, А.В.Грищенко

© Тольяттинский государственный университет, 2009

Содержание

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 4

Изучение напряженно-деформированного состояния инженерных конструкций 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 9

Расчет параметров магнитного датчика 9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 14

Электростатические актюаторы систем контроля 14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 18

Изучение конструктивных параметров микропривода устройств автоматического контроля 18

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 24

Тепловые исполнительные микроустройства систем контроля 24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 28

Волоконно-оптические датчики контроля напряженности магнитного поля и силы тока 28

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 35

Оценка рабочих параметров пьезоэлектрических микроактюаторов 35

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 43

Расчет электромеханических устройств систем контроля 43

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 48

Расчет функционального датчика 48

Методические указания 57

по выполнению Контрольной работы 57

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 59

Лабораторная работа №1 Изучение напряженно-деформированного состояния инженерных конструкций

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить методы автоматизированного контроля параметров нагруженного состояния инженерных конструкций.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Ознакомится с работой системы автоматизированного контроля деформаций и напряжений.

2. Определить величину напряжений в исследуемой конструкции.

3. Определить величину деформаций исследуемой конструкции.

3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Датчики смещения могут измерять как линейный сдвиг (при поступательном движении), так и угол поворота (при вращении). Кроме того, их можно классифицировать в соответствии с используемым принципом преобразования. Например, можно провести различие между резистивными, емкостными, индуктивными и оптическими датчиками поступательного движения или вращения. Эти механические датчики называются также тензодатчиками или сенсорами.

В данном типе резистивного датчика смещения используется тот факт, что электрическое сопротивление проводника зависит от размеров проводника. (электрическое сопротивление), где (с зависит от материала)

Рис. 1.1. Тензодатчик с металлической фольгой

(площадь поперечного сечения)

(μ - постоянная Пуассона).

Получаем:

. (1.1)

Если при растяжении объем остается неизменным, то в соответствии с предпоследним выражением μ=0,5. Для многих материалов μ ≈ 0,3. Удельное сопротивление большинства металлов не зависит от растяжения; константа с очень мала. Следовательно, для большинства металлов эта чувствительность приблизительно равна 2, например, у нихрома 2,1 — 2,3, у константана 2,0 — 2,1, у хромеля 2,5; правда, у манганина 0,5, а у никеля -12.

Для металлических тензодатчиков получаем:

(1.2)

где — коэффициент чувствительности тензодатчика. Полупроводниковые материалы обычно имеют значение величины k много больше 2. Это связано с тем фактом, что больше не выполняется условие . В этих материалах доминирует пьезорезистивный эффект.

Для измерения линейной деформации в механической конструкции тензодатчик приклеивают к этой конструкции в направлении ожидаемого воздействия. Так рисунок 1.2(б) иллюстрирует метод измерения изгиба консольной балки. Рисунок 3.2(в) отражает способ измерения скручивания вала с помощью четырех тензодатчиков, прикрепленных к валу под углом 45° к оси скручивания. Рисунок 1.2(г) изображает схему моста Уитстона для компенсации мешающих воздействий. Если тензодатчики R₁, R₂, R₃ и R₄ соединены так, как показано, то измерение линейной деформации (а) будет нечувствительно к температуре, измерение изгиба (б) — к растяжению и температуре, а измерение скручивания (в) — даже к растяжению, изгибу, температуре и темпе­ратурному градиенту вдоль поверхности. В случаях (а) и (б) резисторы моста R₂ и R₃ являются постоянными резисторами, сопротивление которых выбира­ется из соображений максимальной чувствительности моста.

а) б) в) г)

Рис. 1.2. Измерение линейной деформации, изгиба и скручивания с компен­сирующими тензодатчиками в мосте Уитстона. (а) Компенсация при измере­нии линейной деформации. (б) Компенсация при измерении изгиба, (в) Измерение крутящего момента, (г) Измерительный мост.

В технике контроль техническими процессами выполняют цифровые вычислительные машины, работающие на основе передачи, обработки электрических импульсов. Большинство исполнительных механизмов систем контроля являются аналоговыми устройствами с амплитудным управлением. Дальнейшим развитием данного направления систем контроля является применение цифро-аналоговых преобразователей и микропроцессорных систем контроля. Это позволит снизить время обработки сигнала, позволит повысить производительность процессов контроля и точность выходных данных.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Ознакомьтесь с целью и содержанием работы.

4.2. Изучите теоретические сведения и конструкцию установки.

4.3. Получите задание у преподавателя (см. табл. 1.1).

Таблица 1.1

Данные	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
α (рад)	5	10	12	15	7	17	21	24	26	28
m (кг)	1,5	2,2	3	4	5	7,5	8,5	2,5	5,5	8
b (мм)	10	20	25	28	30	33	35	40	45	55
h (мм)	10	12	15	18	20	22	25	30	33	35
l (мм)	50	75	100	85	110	115	125	135	140	150
σР (Па)	70,8	60,5	52,5	80,5	45	55	55,7	47,8	55,9	60,5

Данные	Варианты
	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
α (рад)	6	11	13	16	18	19	22	25	27	30
m (кг)	1	2	3	4	5	7,5	8,5	2,5	5,5	8
b (мм)	11	23	27	29	32	34	36	43	46	57
h (мм)	11	13	16	19	23	24	27	32	35	37
l (мм)	55	77	112	87	114	118	127	138	145	155
σР (Па)	70,8	60,5	52,5	80,5	45,1	55,1	55,7	47,8	55,9	60,5

4.4. Расчётным путём определите напряжение в тарировочной балке и вычислите коэффициент тарировки К_т.

4.6. Проведите нагружение исследуемой конструкции, фиксируйте показания приборов.

4.7. Рассчитайте величину напряжений. При этом используйте формулы:

(1.3)

где К_т – коэффициент тарировки тензодатчика; σ_т – напряжение при тарировке тензодатчика; α_т – угол отклонения стрелки индикатора; Мт – крутящий момент при тарировке; W – момент инерции; Р – действующая нагрузка; b, h, l – ширина, высота, длина исследуемой конструкции.

4.8. Рассчитайте величину деформаций. При этом используйте формулу:

(1.4)

4.9. Результаты расчетов занесите в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

№	P, кг	αизм, рад	σизм, Па	σр, Па
1
2

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать:

1. Результаты проведенных расчетов.

2. Выводы по результатам проведенных расчетов

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение коэффициента чувствительности тензодатчика.

2. Дайте определение пьезорезистивного эффекта.

3. Для чего определяется коэффициент тарировки тензодатчика.

4. Объясните взаимосвязь напряжений и упругих деформаций.

5. Обоснуйте необходимость тарировки тензодатчиков.

6. Приведите недостатки и преимущества мостовой схемы измерения.

7. Назовите методологические этапы тензометрического исследования.