Лабораторна робота № 1 Дослідження роботи вимірювального перетворювача переміщення

Мета роботи: ознайомитись з функціональним призна­ченням і будовою електронних вимірювальних перетворю­вачів переміщення. Набути практичних навичок щодо визна­чення основних технічних характеристик вимірювальних пе­ретворювачів і роботи з вимірювальними перетворювачами переміщення.

Обладнання і матеріали: лабораторна установка для дослідження вимірювальних перетворювачів переміщення, цифровий вольтметр, блок живлення, з’єднувальні провід­ники.

Місце проведення роботи: робота проводиться в ла­бораторії кафедри технічної діагностики і моніторингу.

Тривалість: 2 год.

Основні теоретичні положення

Вимірювальний перетворювач – це вимірювальний при­стій, який застосовується для перетворення сигналу вимірю­вальної інформації у форму, зручну для опрацювання або зберігання, а також передачі у показуючий пристрій. Вимірю­вальні перетворювачі або входять в конструктивну схему ви­мірювального приладу, або застосовуються спільно з ним, але сигнал перетворювача не піддається безпосередньому сприй­няттю спостерігачем. Перетворювану величину називають вхідною, а результат перетворення – вихідною величиною. Основною характеристикою вимірювального перетворювача є співвідношення між вхідною і вихідною величинами, яке називається функцією передачі або передавальною функцією.

Перетворювачі поділяють на первинні (які безпосеред­ньо сприймають вимірювальну величину), передавальні (на виході яких величина набуває форму, зручну для реєстрації чи передачі на відстань), проміжні (працюють у поєднанні із пер­винними і не впливають на зміну роду фізичної величини).

Залежно від фізичних явищ, які відбуваються в чут­ливих елементах первинних перетворювачів неелектричних величин з електричним вихідним сигналом, первинні перетво­рювачі можна поділити на такі групи:

– реактивні перетворювачі механічних величин – прин­цип роботи чутливих елементів таких перетворювачів осно­ваний на зміні електричного опору під впливом вхідної меха­нічної величини;

– електростатичні перетворювачі – носієм вимірю­вальної інформації в чутливих елементах таких перетво­рю­вачів є електричний заряд;

– електромагнітні перетворювачі – принцип дії чут­ли­вих елементів оснований на використанні електромагнітних явищ (індуктивність, взаємоіндуктивність);

– теплові перетворювачі – робота чутливих елементів таких перетворювачів основана на теплових і зв’язаних з ними інших процесах, що виникають під впливом вимірювальної величини;

– електрохімічні перетворювачі – робота чутливих еле­ментів таких перетворювачів пов’язана із залежністю елек­тричних параметрів електролітичної комірки від складу кон­центрації і інших властивостей досліджуваного розчину;

– оптико-електричні перетворювачі – в основу роботи чутливих елементів таких перетворювачів покладено перетво­рення потоку оптичного випромінювання під впливом вимі­рювального параметра;

– іонізаційні перетворювачі – принцип роботи чутливих елементів таких перетворювачів базується на перетворенні інтенсивності іонізуючого випромінювання, яке змінюється залежно від досліджуваного параметра.

Передавальна функція перетворювача – функція, яка встановлює взаємозв’язок між вихідним електричним сиг­налом давача і зовнішньою дією . Ця функція може бути як лінійною, так і нелінійною (наприклад лога­риф­мічною, експоненціальною або степеневою). Ця функція вза­ємозалежності між вхідним і вихідним сигналом може бути виражена у вигляді графіка, таблиці або математичного ви­разу.

Діапазон вимірюваних значень (максимальний вхідний сигнал) – динамічний діапазон зовнішніх впливів, які давач може сприйняти. Ця величина показує максимально можливе значення вхідного сигналу, яке давач може перетворити в електричний сигнал, не виходячи за межі допустимих похи­бок. Для давачів з дуже широкою і нелінійною амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ) динамічний діапазон зов­нішніх впливів часто виражається в децибелах, які є логариф­мічною мірою відношень або потужностей, або напруг.

Діапазон вихідних значень – алгебраїчна різниця між електричними вхідними сигналами, виміряними максималь­ними і мінімальними зовнішніми діями. В цю величину по­винні входити всі можливі відхилення від ідеальної пере­давальної функції.

Точність – під точністю зазвичай розуміють неточність або похибку вимірювань. Похибка вимірювань – це, як пра­вило, величина максимального розходження між показниками реального і ідеального вимірювального перетворювача. Вва­жається, що виміряне значення відповідає реальному із визна­ченим ступенем достовірності.

На точність вимірювальних перетворювачів впливають такі характеристики як: гістерезис; мертва зона; параметри калібрування; повторюваність давачів від партії до партії.

Похибка вимірювальних перетворювачів може бути представлена у таких видах:

- безпосередньо у одиницях вимірюваної величини,

- у відсотках від значення максимального вхідного сиг­налу,

- в одиницях вихідного сигналу.

Помилка калібрування – це похибка, яка допущена ви­робником під час проведення і калібрування вимірювальних перетворювачів на виробництво. Ця похибка носить система­тичний характер, і додається до всіх реальних передавальних функцій. Помилка калібрування зсуває характеристику пере­творення давача в кожній точці на визначену величину. Вона необов’язково повинна бути рівномірною у всьому діапазоні вимірювань і може залежати від типу помилки, допущеної в процесі калібрування.

Гістерезис – це різниця значень вихідного сигналу для одного і того ж вхідного сигналу, отриманого під час його зростання і спадання. Типовою причиною виникнення гісте­резису є тертя і структурні зміни матеріалів.

Нелінійність визначається для вимірювальних перетво­рювачів, передавальну функцію яку можливо апроксимувати прямою лінією. Під нелінійністю розуміють максимальне від­хилення реальної передавальної функції від апроксимуючої прямої лінії. Нелінійність зазвичай виражається або у від­сотках від максимального вхідного сигналу, або в одини­цях вимірюваних величин. Залежно від способу проведення апро­ксимуючої лінії розрізняють декілька типів лінеаризації. Один із способів – проведення прямої через кінцеві точки пере­давальної функції. Для цього спочатку визначаються вихідні значення, які відповідають найбільшому і наймен­шо­му зов­нішньому впливу, а потім через ці точки проводиться пряма лінія. Лінеаризаційна помилка нелінійності мінімальна в кін­цевих точках і максимальна десь в проміжку між ними.

Метод незалежної лінеаризації (метод «найкращої пря­мої») полягає у знаходженні лінії, яка проходить посередині між двома паралельними прямими, розташованими якомога ближче одна до одної, і охоплюючої всі вихідні значення реальної передавальної функції.

Інший спосіб лінеаризації базується на застосуванні методу найменших квадратів. Для цього в широкому діапазоні вимірюваних величин для ряду значень зовнішніх впливів х виміряються вихідні сигнали у. Після цього застосовують рівняння лінійної регресії.

Коефіцієнти лінійної регресії знаходять за методом най­менших квадратів, згідно з якими рівняння лінійної ре­гресії має такий вигляд:

, (1.1)

, (1.2)

, (1.3)

де , – коефіцієнти лінійної регресії;

, – відповідно N значень вхідної і вихідної величин конкретного перетворювача.

Похибка у відсотках від нелінійності статичної характе­ристики визначається таким чином:

, (1.4)

де – максимальне відхилення реального значення від лінійної залежності із врахуванням розрахункових зна­чень і ,

– діапазон зміни вихідної величини вимірювального перетворювача під час зміни вхідної величини від 0 до x_{вх.макс.}.

Відтворюваність – це здатність вимірювальних пере­творювачів під час дотримання однакових умов видавати іден­тичні результати. Відтворюваність результатів визнача­ється за максимальною різницею вихідних значень давача, отриманих в двох циклах калібрування. Зазвичай вона вира­жається у від­сотках від максимального значення вхідного сиг­налу. Причи­нами поганої відтворюваності часто є тепловий шум, поверх­неві заряди, пластичність матеріалів і т.д.

Мертва зона – це нечутливість давача у визначеному діапазоні вхідних сигналів. В межах цієї зони вихідний сигнал залишається майже постійним (часто рівним нулю).

Роздільна здатність – характеризує мінімальну зміну вимірюваної величини, яку може відчути давач. Під час не­пе­рервної зміни зовнішнього впливу в межах діапазону ви­мі­рюваних значень вихідні сигнали давачів не будуть завжди абсолютно гладкими, навіть під час відсутності шумів. На них завжди буде видно невеликі сходинки. Величина зміни вхід­ного сигналу давача під час визначення умов, називається йо­го роздільною здатністю. Роздільна здатність може визна­ча­тися у відсотках від максимального значення вхідного сигна­лу. Слід зазначити, що розмір сходинки може змінюватися всередині діапазону вимірюваних значень, тому, як правило, роздільна здатність визначається як середня або як найгірша величина.

Вихідний імпеданс є характеристикою, яка вказує нас­кільки легко вимірювальний перетворювач узгоджується з електричною схемою.

Сигнал збудження – це електричний сигнал, необхід­ний активному вимірювальному перетворювачу для роботи. Сигнал збудження описується інтервалом напруг і/або стру­мів. Вихід сигналу збудження за наведені межі може приз­вести до зміни передавальної функції вимірювального пере­творювача, і, відповідно, до спотворення вихідного сигналу.

Електронний вимірювальний перетворювач перемі­щення. Для вирішення багатьох задач геодезичного моніто­рингу (постійне спостереження за деформаціями будівель і ін­женерних споруд, зміщення високоточного або відповідаль­ного обладнання) застосовують вимірювальні перетворю­вачі переміщення (рис. 1.1).

Одним з таких є вимірювальний перетворювач побудо­ваний на базі давача Холла, який і досліджується в даній ла­бораторній роботі. Такий вимірювальний перетворювач скла­дається з давача Холла, який нерухомо закріплюється на ре­пері, і постійного магніту, який відповідно закріплюється на об’єкті за яким відбувається спостереження. Давач Холла пе­ребуває на одній осьовій лінії з постійним магнітом. Магніт вимірювального перетворювача механічно зв’язаний з об’єк­том переміщення і під час його переміщення (віддаленні чи наближенні до давача Холла) змінюється напруга на виході давача Холла, оскільки даний давач є чутливим до зміни ве­личини індукції зовнішнього магнітного поля. Перевага вимі­рювального перетворювача такого типу полягає в тому, що відсутній зв'язок між об’єктом, який переміщується і давачем, який закріплений нерухомо на репері.

Рисунок 1.1 – Застосування електронного вимірювального перетворювача переміщення для постійного геодезичного спостереження за деформацією будівлі

Принцип роботи давача Холла. Інтегральні давачі маг­нітного поля в своїй більшості використовують ефект Холла, відкритий американським фізиком Едвіном Холом (E. Hall) в 1879 р. Ефект Холла полягає в наступному. Якщо провідник із струмом поміщений в магнітне поле, то виникає е.р.с., спря­мована перпендикулярно до струму, і до поля. Ефект Холла зображено на рис. 1.2.

По тонкій пластині напівпровідникового матеріалу про­ходить струм . Під час наявності магнітного поля на рухомі носії заряду (електрони) діє сила Лоренца. Ця сила викривляє траєкторію руху електронів, що призводить до перерозподілу об'ємних зарядів у напівпровідниковій пластині. Внаслідок цього на краях пластини, паралельних напрямку протікання струму, виникає е.р.с., звана е.р.с. Холла.

Рисунок 1.2 – Ілюстрація ефекту Холла

Ця е.р.с. пропор­ційна векторному добутку магнітної індукції на густину струму :

, (1.5)

де – ширина пластини,

– заряд частинки носія,

– концентрація носіїв заряду. Під час зниження концен­трації носіїв е.р.с. Холла зростає, тому як матеріал для дава­чів Холла переважно використовують такі напівпровід­ники, як кремній, арсенід галію та ін. Для прямокутної плас­тини з однорідними струмом і магнітним полем, спрямова­ними як зображено на рис. 1.2, ця е.р.с. дорівнює:

, (1.6)

де – постійна Холла,

– напруга, що створюється на струмопровідних виво­дах дача Холла. Для кремнію становить величину порядку 70 , тому, як правило, е.р.с. давача Холла потрібно підсилювати.

Опис лабораторної установки для дослідження робо­ти вимірювального перетворювача переміщення. Будова ла­бораторної установки для дослідження роботи вимірю­валь­ного перетворювача переміщення зображено на рис. 1.2. Ос­новні елементи конструкції (рис. 1.3, а) це Давач Холла 1, який нерухомо закріплений на станині установки 5, співвісно з давачем Холла розміщений постійний магніт 2 (рис. 1.3, б), який закріплений і переміщується на вимірювальному вістрі індикатора переміщення годинникового типу 3. Вертикальне переміщення постійного магніту здійснюється за допомогою механізму переміщення 6.

а) б)

а) 1-магнітний давач Холла; 2-постійний магніт;

3-індикатор переміщення;

4-з’єднувальний кабель давача Холла; 5-станина;

6-механізм переміщення;

б) взаємне розміщення нерухомого давача Холла і рухомого постійного магніту

Рисунок 1.3 – Будова лабораторної установки для дослідження роботи вимірювального перетворювача переміщення

Лабораторна установка дозволяє моделювати перемі­щення в діапазоні від 0 до 10 мм, індикатор переміщення годинникового типу 3 фіксує переміщення з роздільною здат­ністю 0,01 мм. Схема електрична принципова електрична ла­бораторної установки зображено на рис. 1.4.

DA1–давач Холла;

PV1–цифровий вольтметр; БЖ–блок живлення

Рисунок 1.4 – Схема електрична принципова лабораторної установки для дослідження роботи вимірювального перетворювача переміщення

Давач Холла (DA1), який використовується в даній ла­бораторній роботі, виробництва компанії Honewell – тип SS49. Давач виконаний у трививодному плоскому корпусі (рис. 1.4, а), володіє лінійною передавальною характеристикою і чут­ливий до напрямку магнітного поля (рис. 1.5, б).

а) б)

а) зовнішній вигляд давача Холла; б) передавальна характеристика давача Холла

Рисунок 1.5 – Магніточутливий давач Холла SS49