Устройства на операционных усилителях. Учебно-методическое пособие

Лабораторная работа №9

«Емкостные преобразователи»

Рис. 9.1.

Рис. 9.2.

31

Задание№1: Руководствуясь формулой (9.2), в схеме на рис. 9.1. включите емкостной ИП (С1) таким образом, чтобы при реализации преобразователя по схеме рис. 9.2 (с переменным зазором) получить линейную характеристику преобразования.

Задание№2: Используя формулу, исследуйте (с проверкой на модели) зависимость функции преобразования от екости конденсатора С3

Контрольные вопросы и задания

1.Какие функции преобразования могут быть реализованы емкостным ИП?

2.Используя формулу (13.13), исследуйте (с проверкой на модели) зависимость функции преобразования от емкости конденсатора СЗ.

3.Используя формулы (13.10) —- (13.13), составьте выражения для статических характеристик ИП для преобразования линейного перемещения путем изменения площади перекрытия и расстояния между электродами.

4.Если известно, что в емкостном ИП применяется источник измерительного напряжения частотой 100 кГц, то нужно ли учитывать инерционность такого ИП при его использовании в качестве датчика угловой скорости двигателя постоянного тока с номинальным значением n = 2000 об/мин?

32

Лабораторная работа №10

«Электромагнитные преобразователи»

Электромагнитные преобразователи составляют большую группу преобразователей для измерения различных физических величин, которые в зависимости от принципа действия могут быть как параметрическими, так и генераторными.

Рис. 10.1. Конструктивные схемы электромагнитных ИП

а) б) в)

К параметрическим относятся ИП, преобразующие изменение входного механического воздействия в изменение параметров магнитной цепи: магнитного сопротивления, индуктивности и взаимоиндуктивности обмоток магнитной проницаемости (рис. 10.1, б); к генераторным — ИП индукционного типа, основанные на электромагнитной индукции и реализуемые на базе трансформаторов (рис. 10.1, в) и электрических машин (см. разд. 9.2).Если пренебречь потоками рассеяния, то для ИП на рис. 10.1, а формулы для расчета индуктивности L и взаимоиндуктивности М обмоток имеют следующий вид [63, 76]:

где w1, w2 — число витков первичной и вторичной обмоток; RM = 1/µS — сопротивление ферромагнитного участка магнитной цепи 2, включая и ее верхнюю подвижную часть 1 (якорь);

33

RB = δ/µ0S — сопротивление воздушного зазора между якорем 1 и основным магнитопроводом 2;

l — средняя длина магнитного пути;

µa = µµ0 — магнитная проницаемость ферромагнитного материала; µ — относительная магнитная проницаемость материала (для

сталей µ = 200—5000); µ0= 1,257- 10-6 В•с/А•м — магнитная постоянная;

S — поперечное сечение магнитопровода, м2. Потоками рассеяния пренебрегается.

Схема включения однотактного индуктивного ИП представляет собой последовательную RL-цепь (рис. 10.2.), на которой ИП представлен переменной индуктивностью L, управляемой одноименной клавишей клавиатуры.

Рис. 10.2.

Сопротивление нагрузки Rn выбрано равным индуктивному сопротивлению ИП на рабочей частоте источника измерительного напряжения Ui; сопротивление Ra — активное сопротивление обмотки ИП. Действующее значение тока в RL-цепи, измеряемое амперметром,

I = Ui/[(Ra + Rn)2 + (2πfL)2]1/2 (10.2)

Выходное напряжение схемы Uo = I•Rn.

Если ИП используется для измерения линейного перемещения, то:

34

Uo = Rn • Ui/[(Ra + Rn)2 + (2πfw2µ0S/δ)2]1/2, где w — число витков обмотки И П.

Если параметры ИП выбрать из условия (Ra + Rn)<<

где K= Rn • Ui/2πfw2µ0S — коэффициент преобразования, В/м.

Y/T

Из-за ряда недостатков однотактные ИП используются преимущественно в качестве вспомогательных устройств Более распространенными в практике измерений и контроля являются дифференциальные ИП Схема включения дифференциального индуктивного ИП

содержит трансформатор Т, ко вторичной обмотке которого подключены обмотки ИП; нагрузка Rn подключается между средней точкой вторичной обмотки трансфоматора и средней точкой обмоток ИП. Ток, протекающий по сопротивлению нагрузки, равен разности токов через обмотки ИП; при равенстве их индуктивностей выходное напряжение равно нулю.

Полагая, что на выходе каждой половинки вторичной обмотки напряжение равно Ui, и применяя к цепи принцип наложения, находим, что ток в нагрузке

I = Ui • ∆L/L[Rn2 + (2πfLl • L2/L)2] 1/2, (10.4) где ∆L =L1 -L2; L=L1 + L2.

Для модели

35

∆L=0,2• 0,51 - 0,2 • 0,49=0,004 Гн; L=0,2 • 0,51 + 0,2 • 0,49=0,2 Гн;

ток в нагрузке I = 28,48 мкА и выходное напряжение Uo = I • Rn = 178,9 мВ

Контрольные вопросы и задания

1.Назовите типы электромагнитных ИП и дайте их краткую характеристику.

2.Используя формулы (10.2) и (10.5), определите оптимальное значение частоты, при котором выходной сигнал схем на рис. 10.2 максимален.

3.В каком случае выходной сигнал схемы на рис. 13.8 не будет зависеть от частоты измерительного напряжения?

4.Формула (10.3) получена в предположении, что RM << RB. Однако при малых значениях воздушного зазора δ это условие может быть нарушено вследствие существенного уменьшения RB. Каким образом это скажется на функции преобразования однотактного ИП? Составьте аналитическое выражение Uo = f(δ) для этого случая.

5.Используя формулы (10.1) и (10.5), составьте выражение Uo = f(δ) для дифференциального ИП.

6.Используя данные разд. 9.5.1, оцените силу воздействия однотактного ИП на объект контроля при δ = 0,1 мм и токе обмотки 2 мА (действующее значение). При этом необходимо

учесть, что на переменном токе развиваемое усилие Рэ = 0,5w2µ0S[Im2sin2ωt/δ], где Im — амплитуда тока.

7.Каким образом скажется на характеристике однотактного ИП насыщение магнитной цепи?

8.Используя результаты осциллографических измерений (рис. 10.2, б), проведите исследование фазовых соотношений в схеме однотактного ИП и сделайте вывод о возможности получения реверсивной характеристики преобразования.

36

Лабораторная работа №11

«Пьезоэлектрические преобразователи»

Количественно пьезоэффект характеризуется пьезомодулем

где Q — генерируемый заряд при воздействии силы F.

Рис.11.1.

Рис. 11.2.

37

ИП на этих схемах имитируется источником заряда, образованным источником постоянного напряжения Ui и конденсатором Со. Сопротивление утечки и емкость ИП и соединительного кабеля (собственная емкость ИП на пьезокерамике) достигает указанных значений Сn; С — запоминающая емкость зарядочувствительного усилителя; R1, R2 — элементы цепи обратной связи усилителя, обеспечивающие по неинвертирующему входу коэффициент усиления

К= 1 + R2/R1 = 2.

Работа схемы с усилителем напряжения Рис. 11.1.

Y/T

В момент t = 0 (включение моделирования) выходное напряжение усилителя равно

К • Ui • Со/(Со + Сn) = 2 • 1 • 1/(1 + 1) = 1 В

Работа схемы с усилителем заряда Рис. 11.2.

Y/T

38

Влияние емкости Сn уменьшается в А раз (внутренний коэффициент усиления ОУ), т. е. выходное напряжение равно Ui• Со/(С + Сn/А) =1•1/(1 + 1/106) = 1 В.

Контрольные вопросы и задания

1.Какие физические явления используются в пьезоэлектрических ИП?

2.Что такое продольный и поперечный пьезоэффект? Возможен ли он в пьезокерамике?

3.Можно ли использовать кварцевый генератор в качестве пьезоэлектрического ИП?

4.Используя формулу (11.1), составьте выражение для функции преобразования Uo = f(F) для схем на рис. 11.1. и 11.2. .

5.Каким стандартным звеном можно представить пьезоэлектрический датчик, если известно, что его рабочая частота

равна 10 кГц и он используется для измерения линейных ускорений в диапазоне 5—100 м/с2?

39

Лабораторная работа №12

«Термометрические преобразователи»

Рис. 12.1.

Задание №1: Используя схему на рис. 12.1., разработайте модель потенциометра с возможностью заземления термопары.

Задание №2: Если в исходном состоянии мост или потенциометр находятся в равновесии, то при изменении температуры холодных спаев это равновесие нарушается и возникающее при этом напряжение рассогласования можно использовать для корректировки измеряемой термоЭДС. Используя этот алгоритм и опыт, разработайте модель такого устройства.

Контрольные вопросы и задания

1.Какие физические явления используются в термометрических датчиках?

2.Каким образом на точность измерения температуры может повлиять пропускаемый при этом через термопару ток, если не учитывать эффект Пельтье (выделение или поглощение теплоты) и ЭДС Томсона?

3.Назовите основные характеристики металлических терморезистивных ИП и области их применения.

4.Какими свойствами обладают полупроводниковые термометры сопротивлений?

40