МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт з дисципліни

„ Перетворюючі пристрої приладів ”

для студентів напряму підготовки 6.051003 «Приладобудування»

спеціальностей «Прилади і системи точної механіки»

та «Медичні прилади і системи»

всіх форм навчання

Затверджено

на засіданні кафедри комп’ютеризованих та інформаційних технологій

у приладобудуванні,

протокол № 10 від 28.05.2012 р.

Черкаси, ЧДТУ, 2012

Укладачі: Шарапов Валерій Михайлович, д.т.н., професор,

Базіло Костянтин Вікторович, к.т.н., старший викладач,

Сотула Жанна Василівна, к.т.н., старший викладач,

Куницька Лариса Георгіївна, к.т.н.,

Ткаченко Олександр Сергійович

Рецензент: Бондаренко Юлія Юріївна, к.т.н., доцент

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни „ Перетворюючі пристрої приладів ” для студентів напряму підготовки 6.051003 «Приладобудування» спеціальностей «Прилади і системи точної механіки» та «Медичні прилади і системи» всіх форм навчання / Укладачі: Шарапов В.М., Базіло К.В., Сотула Ж.В., Куницька Л.Г., Ткаченко О.С. – Черкаси: ЧДТУ, 2012. – 37 стор.

В лабораторних роботах досліджуються диференціювальні та інтегрувальні, ємнісні та електроакустичні перетворювачі, п’єзокерамічні трансформатори та суматори, резонансний контактний перетворювач, фотоелектричний напівпровідниковий та терморезистивний перетворювачі.

В авторській редакції

Зміст

Вступ …………………………………………………………………………… Лабораторна робота № 1. Дослідження диференціювальних та інтегрувальних перетворювачів ……………………………………………… Лабораторна робота № 2. Дослідження ємнісних перетворювачів фізичних величин ……………………………………………………………… Лабораторна робота № 3. Дослідження акустичних перетворювачів ......... Лабораторна робота № 4. Дослідження п’єзоелектричних трансформаторів ………….…………………………………………………… Лабораторна робота № 5. Дослідження п’єзокерамічних суматорів ….…. Лабораторна робота № 6. Дослідження резонансного контактного перетворювача .............................................................................................…… Лабораторна робота № 7. Дослідження фотоелектричного напівпровідникового перетворювача ................................................................ Лабораторна робота № 8. Вимірювання температури за допомогою терморезисторів ..........................................................................................……

4 5 10 16 20 23 27 31 35

Вступ

Основною метою лабораторних робіт з дисципліни “ Перетворюючі пристрої приладів ” є ознайомлення студентів з фізичними основами роботи перетворювачів (датчиків), що здійснюють первинне опрацювання вхідних сигналів. Освоєння дисципліни дозволить сформувати у студентів знання та вміння, що дозволяють здійснювати проектування електронних пристроїв, які містять датчики для перетворення, обробки та вимірювання фізичних величин. Це повинно закласти базу для освоєння інших інженерних дисциплін.

В ході лабораторних робіт досліджуються диференціювальні та інтегрувальні, ємнісні та електроакустичні перетворювачі, п’єзокерамчні трансформатори та суматори, резонансний контактний перетворювач, фотоелектричний напівпровідниковий та терморезистивний перетворювачі.

Виконання лабораторних робіт базується на знаннях, отриманих студентами з фізики та електроніки.

Загальний порядок виконання лабораторних робіт.

1. У процесі підготовки лабораторної роботи необхідно ознайомитися з її описом за даними методичними вказівками, вивчити теоретичні питання за додатково рекомендованими джерелами, з’ясувати мету і завдання досліджень.

2. Проведення вимірювань та досліджень на зібраній схемі установки починається тільки з дозволу викладача.

3. Кожен студент повинен скласти звіт про лабораторну роботу і захистити його до виконання наступної роботи.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФЕРЕНЦІЮВАЛЬНИХ

ТА ІНТЕГРУВАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Мета роботи: ознайомитися з принципом роботи інтегрувальних та диференціювальних перетворювачів.

Обладнання: генератор Г3-106, осцилограф С1-55, набір резисторів і конденсаторів.

1. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Як відомо, диференціювальними називають чотириполюсники, миттєві напруги на виході u₂(t) котрих пропорційні похідній за часом від миттєвих напруг на вході u₁(t). В якості пасивних диференціювальних ланок на практиці частіше за все використовують RC-ланки. Покажемо, що якщо в ланці (рис. 1.1) R<<X_C, то така ланка являється практично диференціювальною. За другим законом Кірхгофа . В ланці з ємністю . Якщо X_C>>R, то u_C>>u_R. В цьому випадку u₁ ≈ u_C, тоді

(1.1)

Рис. 1.1. Диференціювальна ланка

Очевидно, що ідеальне диференціювання могло б бути, якби u₁ = u_C, але це можливо лише при R = 0. Так як вихідна напруга при цьому рівна нулю, то ланка практично втрачає свій сенс. Таким чином, чим менший опір R по відношенню до опору X_C, тим ближче вихідна напруга до похідної за часом від вхідної напруги, але тим менше коефіцієнт передачі ланки та відповідно менше значення вихідної напруги. Оскільки ідеальне диференціювання неможливе, встановлюють критерії, що показують які ланки можна вважати практично диференціювальними. Частіше за все це виходить із критерію, що безмежно малими являються опори, значення котрих на порядок менше ємнісного опору, тобто R ≤ 0,1X_C, тоді

(1.2)

де τ – постійна часу диференціювальної ланки.

Таким чином, якщо є RC-ланка, в якій , то для всих сигналів в діапазоні частот 0… така ланка являється практично диференціювальною.

На рис. 1.2 показані епюри напруги на вході та виході диференціювальної ланки.

Рис. 1.2. Епюри напруги на вході та виході диференціювальної ланки

Припустимо, що конденсатор розряджений. При подачі на вхід RC-ланки імпульсу напруги конденсатор відразу ж почне заряджатися струмом, що проходить через нього самого і резистор. Спочатку струм буде максимальним, потім у міру збільшення заряду конденсатора поступово зменшиться до нуля по експоненті. Коли через резистор проходить струм, на ньому утворюється падіння напруги, що визначається, як: U=iR, де i – струм заряду конденсатора. Оскільки струм змінюється експоненціально, то і напруга буде змінюватися також – експоненціально від максимуму до нуля. Падіння напруги на резисторі якраз таки і є вихідним. Його величину можна визначити за формулою: U_вих=U₀e^-t/τ. Величина τ називається постійною часу ланки і відповідає зміні вихідної напруги на 63% від початкової (e^-1=0,37). Очевидно, що час зміни вихідної напруги залежить від опору резистора і ємності конденсатора і, відповідно, постійна часу ланки пропорційна цим значенням, тобто τ=RC.

В якості генератора використовувався генератор сигналів низькочастотний Г3-106, з якого подавався сигнал у формі меандру.

Інтегрувальними називаються чотириполюсники, миттєві напруги на виході яких пропорційні інтегралу від вхідної напруги, тобто . Покажемо, що RC-ланка (рис. 1.3), в якій R>>X_C, є інтегрувальною.

Рис. 1.3. Інтегрувальна ланка

За другим законом Кірхгофа , причому . Якщо R>>X_C, то u₂<<u_R, при цьому або . Вихідна напруга , але

отже, в RC-ланці при R>>X_C

(1.3)

Ідеальне інтегрування може бути тільки, якщо , тобто при коефіцієнті передачі рівному нулю, що позбавлено фізичного сенсу. На практиці гарне інтегрування можна отримати при , де f – частота вхідного сигналу

На рис. 1.4 показані епюри напруги на вході і виході інтегрувальної ланки.

Рис. 1.4. Епюри напруги на вході і виході інтегрувальної ланки

Вихідною напругою в інтегрувальній ланці є напруга на конденсаторі. Природно, якщо конденсатор розряджений, вона дорівнює нулю. При подачі імпульсу напруги на вхід ланки конденсатор почне накопичувати заряд, і накопичення відбуватиметься за експоненціальним законом, відповідно, і напруга на ньому буде наростати по експоненті від нуля до свого максимального значення. Його значення можна визначити за формулою: U_вих=U₀(1-e^-t/τ). Постійна часу ланки визначається за такою ж формулою, як і для диференціювальної ланки, і має той же зміст.

2. Порядок виконання роботи

1. Підготовка до роботи:

а) включити генератор Г3-106, дати йому прогрітися 5 хв;

б) включити осцилограф С1-55.

2. Дослідження перехідних характеристик диференціювальної ланки:

а) зібрати схему диференціювальної ланки згідно з рис. 1.1;

б) подати на вхід ланки сигнал у формі меандру за допомогою генератора Г3-106;

в) замалювати чи сфотографувати перехідні характеристики ланки, отримані за допомогою осцилографа С1-55;

г) змінюючи значення елементів R, C і частоти вхідного сигналу, проаналізувати отримані перехідні характеристики ланки.

3. Дослідження перехідних характеристик інтегрувальної ланки:

а) зібрати схему інтегрувальної ланки згідно з рис. 1.3;

б) подати на вхід ланки сигнал у формі меандру за допомогою генератора Г3-106;

в) замалювати чи сфотографувати перехідні характеристики ланки, отримані за допомогою осцилографа С1-55;

г) змінюючи значення елементів R, C і частоти вхідного сигналу, проаналізувати отримані перехідні характеристики ланки.

3. ЗМІСТ ЗВІТУ

1. Тема і мета роботи.

2. Перелік використаного обладнання.

3. Короткий зміст теоретичних відомостей, основні формули, схема лабораторної установки

4. Діаграми, робочі таблиці, графіки.

5. Висновок.

Приклад оформлення отриманих експериментальних даних

Типові осцилограми вхідної і вихідної напруги диференціювальних перетворювачів, що зняті за допомогою фотоапарата Canon з осцилографа С1-55, наведено на рис. 1

а) б)

Рис. 1. Осцилограми вхідної (а) ї вихідної (б) напруги диференціювальних перетворювачів

Типові осцилограми вхідної і вихідної напруги інтегрувальних перетворювачів, що зняті за допомогою фотоапарата Canon з осцилографа С1-55, наведено на рис. 2.

а) б)

Рис. 2. Осцилограми вхідної (а) ї вихідної (б) напруги інтегрувальних перетворювачів

4. Контрольні питання

1. Які чотириполюсники називаються диференціювальними?

2. Дайте визначення інтегрувальним чотириполюсникам.

3. Як впливають параметри RC-ланки на форму вихідного сигналу?

5. Література

1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / И.С. Гоноровский. – М.: Радио и связь, 1986. – 512 с.

2. Добротворский И.Н. Теория электрических цепей / И.Н. Добротворский. – М.: Радио и связь, 1989. – 472 с.

3. Основы теории цепей: учеб. для вузов / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 528 с.

Лабораторна робота № 2 дослідження ємнісних перетворювачів фізичних величин

Мета роботи: ознайомитися з принципом роботи ємнісних перетворювачів, дослідити їх статичні характеристики.

Обладнання: макети і дослідницькі зразки ємнісних перетворювачів, LC-метр DM6243.

1. Теоретичні відомості

Ємнісні датчики представляють собою конденсатори, ємності яких змінюються внаслідок зміни параметрів датчика під дією вимірюваної величини, наприклад, відстані між обкладками, площі перекриття обкладок або діелектричної проникності між обкладками.

Ємнісний перетворювач переміщень. В якості ємнісного перетворювача переміщень широко використовується плоский конденсатор. Його ємність визначається виразом:

(2.1)

де δ – відстань між електродами; Q – їх площа; ε₀ – діелектрична постійна; ε – відносна проникність діелектрика.

У перетворювача з прямокутними електродами (рис. 2.1) і є деякий діапазон переміщення пластин x, в якому ємність лінійно залежить від x. Лінійна залежність спотворюється внаслідок крайового ефекту. В області лінійної залежності чутливість такого перетворювача:

(2.2)

постійна і збільшується зі зменшенням відстані між електродами δ.

Якщо змінюється відстань δ між електродами, функція перетворення є гіперболічною. Чутливість перетворювача:

(2.3)

сильніше залежить від відстані між пластинами δ, ніж у попередньому випадку. Для збільшення чутливості S доцільно зменшити δ. Граничне його значення визначається технологічними міркуваннями і прикладеною напругою. Треба враховувати, що при малих δ можливий електричний пробій між електродами.

Рис. 2.1. Ємнісний датчик переміщень

На рис. 2.2 показаний принцип побудови ємнісних перетворювачів із змінною площею пластин, що використовуються для вимірювання кута повороту вала. Пластина 1, жорстко скріплена з валом, переміщається щодо пластини 2 так, що довжина зазору між ними зберігається незмінною. Перевагою ємнісних перетворювачів із змінною площею пластин є можливість відповідним вибором форми рухомої 1 і нерухомої 2 пластин отримати задану функціональну залежність між зміною ємності та вхідним кутовим або лінійним переміщенням. Перетворювачі зі змінною площею застосовуються для вимірювання переміщень більших за 1 мм.

Рис. 2.2. Ємнісний датчик кута повороту;

1 – рухома пластина;

2 – нерухома пластина

Ємнісні датчики тиску. Чутливими елементами ємнісних датчиків тиску є мембрани і діафрагми, що перетворюють вимірюваний тиск в переміщення. При цьому вони можуть бути одночасно використані в якості рухомого електрода ємнісного датчика.

Однією з основних конструкцій ємнісного перетворювача тиску є одностаторна, в якій чутливий елемент (зазвичай, діафрагма) утворює одну пластину конденсатора і переміщується відносно його іншої нерухомої пластини (рис. 2.3, а). В двостаторній конструкції діафрагма переміщується між двома нерухомими пластинами (рис. 2.3, б).

а) б)

Рис. 2.3. Ємнісні перетворювачі тиску: а) одностаторні; б) двостаторні

Ємнісний датчик рівня. Чутливий елемент (рис. 2.4) складається з двох коаксіально розташованих електродів 1 і 2, частково занурених у рідину. Електроди утворюють циліндричний конденсатор, міжелектродний простір якого до висоти заповнено рідиною, а простір – парогазовою сумішшю.

Рис. 2.4. Коаксіальний ємнісний датчик рівня:

1 – внутрішній електрод;

2 – зовнішній електрод;

3 – досліджувана рідина

В загальному вигляді електрична ємність циліндричного конденсатора визначається рівнянням:

(2.4)

де – відносна діелектрична проникність речовини, що заповнює міжелектродний простір;

– діелектрична постійна;

l – висота електродів;

R₁ – радіус внутрішнього електрода;

d – зазор між електродами.

Для циліндричного конденсатора, міжелектродний простір якого заповнюється речовинами, що володіють різними діелектричними проникностями, як показано на рис. 2.4, повна ємність визначається виразом:

(2.5)

де – ємність прохідного ізолятора і сполучних проводів;

– ємність міжелектродного простору, заповненого рідиною;

– ємність міжелектродного простору, заповненого парогазовою сумішшю.

З урахуванням рівняння (2.4) повну ємність чутливого елемента представимо у вигляді:

(2.6)

Оскільки для парів рідини і газів , то рівняння (2.6) можна перетворити наступним чином:

(2.7)

Наведений вираз (2.6) є спрощеною функцією перетворення ємнісного датчика рівня неелектропровідної рідини. Еквівалентна ємність такого датчика є сумою трьох з'єднаних паралельно ємностей. Якщо діелектричну проникність досліджуваного середовища можна вважати постійною, інформативною є лише третя складова еквівалентної ємності. Оскільки перші дві складові є неінформативними, то для збільшення чутливості ємнісного перетворювача повинна бути передбачена їх схемна компенсація.