Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Физические основы получения информации

Лабораторный практикум

по дисциплине «Физические основы получения информации»

Уфа 2009

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра авиационного приборостроения

Физические основы получения информации

Лабораторный практикум

по дисциплине «Физические основы получения информации»

Уфа 2009

Составители: Токарев В.П., Муфаззалов Д.Ф.

УДК 621.317.3

ББК 31.221

Физические основы получения информации: лабораторный практикум по курсу «Физические основы получения информации» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 200100 – «Приборостроение» /Уфимск. гос. авиац. техн. унив-т; Сост: Токарев В.П., Муфаззалов Д. Ф. –Уфа, 2009, – 72 с.

Целью работы является изучение физических основ измерений пространственных характеристик и принципов действия индуктивных и трансформаторных преобразователей, теоретическое и экспериментальное определение их характеристик, а также анализ основных источников погрешности.

Предназначена для студентов, обучающихся по направлению подготовки 200100 – «Приборостроение».

Ил. 31, табл. 5 .библиогр. назв. 5

Рецензенты: канд. техн. наук Петунин В. И.,

канд. техн. наук Гулин А. И.

©Уфимский государственный авиационный технический университет, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 1. Исследование индуктивных и трансформаторных преобразователей перемещения…………….	4
Лабораторная работа № 2. Исследование пространственно-временных явлений и преобразователей……...	19
Лабораторная работа № 3. Исследование моментных преобразователей…………………………………………………...	32
Лабораторная работа № 4. Исследование тахогенераторов постоянного и переменного тока………………………………….	43
Лабораторная работа № 5. исследование полупроводниковых терморезисторов……………………………	58
Список литературы…………………………………………...	72

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Исследование индуктивных и трансформаторных преобразователей перемещения

1.1 Цель работы

Целью работы является изучение физических основ измерений пространственных характеристик и принципов действия индуктивных и трансформаторных преобразователей, теоретическое и экспериментальное определение их характеристик, а также анализ основных источников погрешности.

1.2 Теоретическая часть

1.2.1 Индуктивные преобразователи

Индуктивные преобразователи нашли широкое применение для преобразования пространственных физических величин (линейных или угловых перемещений) в электрический сигнал.

Принцип работы ИП основан на изменении самоиндукции катушки () при изменении магнитного сопротивления его магнитной цепи. Изменение магнитного сопротивления происходит в результате изменения параметров воздушного зазора под действием входного сигнала.

Схема простейшего ИП приведена на рис. 1а и представляет собой катушку самоиндукции W с ферромагнитным сердечником 1 и якорем 2, отделенным от сердечника воздушным зазором . Магнитное сопротивление зазораизмениться в результате изменения величины воздушного зазораили его площади поперечного сечения. Катушка соединена с нагрузкойи источником переменного напряжения.

Сердечник и якорь изготавливают из магнитомягких материалов с малыми потерями на гистерезис. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник и якорь набирают из отдельных изолированных друг от друга пластин.

Рис. 1, а. Простейший индуктивный преобразователь

Потери на гистерезис и вихревые токи (потери в стали ) обуславливают комплексный характер магнитного сопротивления.

(1.2.1)

где – активное сопротивление магнитной цепи,– реактивная составляющая магнитного сопротивления.

Если пренебречь потоками рассеяния и выпучиванием потока в воздушном зазоре ,будет складываться из активного магнитного сопротивления сердечника, якоря

(1.2.2)

и двух воздушных зазоров

, (1.2.3)

где соответственно – , , – длина сердечника, якоря и воздушного зазора в м;

, , – сечение сердечника, якоря и воздушного зазора в ;

, – абсолютная магнитная проницаемость материала сердечника и якоря в Гн/м;

–магнитная проницаемость вакуума.

Реактивная составляющая магнитного сопротивления определяется потерями в стали и при отсутствии или слабом проявлении поверхностного эффекта может быть найдена по формуле

, (1.2.4)

где – круговая частота питающего напряжения;

Ф – действующее значение магнитного потока.

Индуктивность (коэффициент самоиндукции) катушки также будет комплексной величиной

, (1.2.5)

где  – потокосцепление;

J – ток катушки;

–-модуль комплексного магнитного сопротивления.

Тогда сопротивление катушки индуктивности

, (1.2.6)

где – активное сопротивление обмотки катушки.

Из формулы (1.2.6) видно, что учет потерь в стали эквивалентен увеличению потерь в катушке из-за увеличения ее активного сопротивления.

Потери в стали определяются выбранным материалом, конструкцией магнитной цепи, его режимом работы и в ИП должны быть незначительными. Применение магнитопроводов из набора отдельных пластин, материалов магнитопровода с узкой петлей гистерезиса и выбор незначительных рабочих магнитных индукций (0.1÷0.3 Tл) существенно снижают потери в стали.

Для упрощения анализа работы простейшего ИП пренебрежем потерями в стали, магнитным сопротивлением стали , так как при малых зазорах , Пусть имееми, тогда получим, что эффективное значение тока в нагрузке

(1.2.7)

линейно зависит от перемещения якоря () (пунктирная линия на рис.1б). Реальная ФП (сплошная линия на рис. 1б) отличается от полученной идеализированной в области малых и больших перемещений, что обусловлено пренебрежением и , .

Простейшие ИП имеют существенные недостатки:

– нереверсивность;

– наличие значительного нулевого сигнала ();

– нелинейность ФП;

– большое тяговое усилие;

– значительный фазовый сдвиг выходного сигнала.

Рис. 1, б. Функция преобразования простейшего ИП

Поэтому они отдельно применяются редко, а являются составной частью дифференциальных конструкций, у которых якорь является общим для обеих половин ИП. Электрические схемы формирования сигнала выполняются по дифференциальной (рис.2, а) или мостовой схемам (рис.2, б).

а

б

Рис. 2. Электрическая схема ИП: а – дифференциальная; б – мостовая

Рассмотрим работу реверсивного ИП, включенного по дифференциальной схеме.

Схема состоит из дифференциального трансформатора Тр1, двух индуктивностей ипростейших ИП, соединенных на общую нагрузку. Входным сигналом является перемещение () от среднего положения общего якоря.

Выходным сигналом является разность токов в нагрузке или падение напряжений на ней.

Определим ФП , где, тогда для приведенной схемы имеем

(1.2.8)

Токи иопределим, используя принцип наложения

, (1.2.9)

, (1.2.10)

где – внутреннее сопротивление источника напряжения, которое принимаем одинаковым для обеих половин дифференциального трансформатора;

, – сопротивления половин простейших ИП с индуктивностями и.

Подставим (1.2.9) и (1.2.10) в (1.2.8), получим:

(1.2.11)

Обычно внутреннее сопротивление дифференциального источника напряжения гораздо меньше, чем остальные сопротивления рассматриваемой цепи, также и активные составляющие сопротивлений ИП , . Для упрощения расчета, кроме специальных случаев, сопротивление нагрузки выбирают активным, то есть .

Тогда, пренебрегая и считая, что ,, получим выражение напряжения на нагрузке

(1.2.12)

Если пренебречь так же, как и для простейших ИП, потерями в стали, потоками рассеяния и магнитным сопротивлением стали якоря и сердечника, тогда получим в первом приближении индуктивности и.

, , (1.2.13)

где – число витков катушек индуктивности;

–площадь воздушного зазора;

–площадь воздушного зазора при .

Тогда, подставив (1.2.13) в (1.2.12) и проведя преобразования, получим

(1.2.14)

или модуль действующего значения выходного напряжения

, (1.2.15)

где – чувствительность дифференциального ИП по напряжению.

Из (1.2.15) видно, что так же, как и для простейшего ИП в первом приближении получили линейную зависимость ФП (рис. 3, пунктирная линия). Реальная ФП (рис. 3, сплошная линия) будет нелинейной при больших значениях входного сигнала по тем же причинам, что и для простейшего ИП, но уже имеет больший линейный участок ФП. Максимальная чувствительность получиться при холостом ходе, т.е. .

Рис. 3. Функция преобразования дифференциального ИП

Тяговое усилие у дифференциального ИП гораздо меньше, так как представляет разность тяговых усилий простейших ИП. Фаза выходного напряжения изменяется на 180° при переходе через нулевое положение. Практически не удается получить нулевое значение выходного сигнала при среднем положении якоря, т.к. нельзя добиться абсолютной симметрии (геометрической, магнитной, электрической) отдельных простейших ИП. Кроме того, в силу нелинейности кривых намагничивания материалов сердечника и якоря в выходном «нулевом» сигнале будет присутствовать напряжение четных гармоник.

ИП конструктивно выполняются как для преобразования линейного перемещения, так и углового. Различные конструктивные варианты ИП приведены на планшете лабораторного стенда.

1.2.2 Трансформаторные преобразователи

Наибольшее применение в авиационной автоматике нашли трансформаторные преобразователи (ТП), в которых изменения положения подвижного органа, воспринимающего измеряемое перемещение, вызывает изменение взаимной индукции (коэффициента взаимоиндуктивности) между двумя системами обмоток. К одной из них (первичной или обмотки возбуждения) подводиться переменное напряжение питания , а с другой (вторичной или сигнальной) обмотки снимается индуцированное в ней напряжение, зависящее от коэффициента взаимоиндукции.

Так же, как и ИП, ТП отличается конструктивным разнообразием.

Рассмотрим принцип работы на примере трехстержневого ТП (рис.4), состоящего из подвижного ротора 1, статора 2 с первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками, соединенными встречно-последовательно.

Первичная обмотка создает магнитный поток , составляющие которогоиперераспределяются примерно пропорционально площадям перекрытия ротором крайних стержней. Потокиинаводят во вторичных обмотках ЭДС, которые в силу встречного соединения вычитаются, следовательно, в среднем положении ротора и симметричной конструкции выходной сигнал равен нулю. Данный вариант схемы является дифференциальным по напряжению.

Эта же схема может быть дифференциальной по току, если подать питание на вторичные обмотки, а сигнал снимать с первичной. В этом случае обмотка будет сцеплена с потоками, направленными встречно в среднем стержне.

Проводимость воздушных зазоров определим без учета краевых потоков (т.е. потоков вне воздушного зазора), воспользовавшись геометрическими размерами ТП (рис.4), тогда

,

, , (1.2.16)

где – ширина воздушного зазора, одинаковая для всех зазоров.

Рис. 4. Трехстержневой трансформаторный преобразователь

Магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, замыкается помимо воздушных зазоров между средним и боковыми стержнями (потоки утечки). В первом приближении можно считать, что проводимость утечки не зависят от положения ротора.

Если составить для приведенной схемы замещения уравнения для магнитных и электрических контуров, то, решая их, получим выражение для выходного напряжения:

(1.2.17)

где – относительное изменение входного сигнала в пределах;

–реактивное сопротивление, обусловленное потокосцеплением взаимоиндукции, замыкающимся через магнитопровод ротора;

–сопротивление, обусловленное потокосцеплением взаимоиндукции, замыкающимся вне магнитопровода ротора;

, – приведенные к вторичной обмотке реактивные сопротивления и

Рассмотренный тип ТП применяется для преобразования углового перемещения в электрический сигнал в пределах 710 и обладает сравнительно линейной ФП в данном диапазоне.

Вследствие значительной краевой проводимости, меняющейся существенно нелинейно от положения ротора, этой конструкции присущ реактивный момент.

Для уменьшения реактивного момента и увеличения чувствительности чаще применяют круглый статор электромашинного типа, имеющий разное количество пазов. Конструктивная схема ТП, по существу включает несколько трехстержневых ТП. По отношению к трехстержневому ТП эта конструкция имеет значительные преимущества, т.к. обладает большой симметрией и меньшей чувствительностью к эксцентриситету ротора, удобством установки в приборы и значительно меньшими реактивными моментами вследствие существенного снижения краевых эффектов.

Для ТП, так же как и для ИП по тем же причинам, не удается получить нулевое значение выходного сигнала при среднем положении ротора. В лучших конструкциях ТП «нулевой» сигнал не превышает несколько десятков милливольт.

Основным преимуществом ТП по сравнению с индуктивным является отсутствие гальванической связи между цепями питания и выхода, а также возможность получения выходного сигнала большей величины, чем питающее напряжение.

ТП, так же как и ИП, представляет собой амплитудные модуляторы, поэтому для уменьшения динамической погрешности частота питающего напряжения должна быть в 10 – 20 раз больше, чем максимально возможная частота изменения входной величины.

Увеличение частоты питающего напряжения позволяет уменьшить как габариты преобразователей, так и реактивный момент (усилия).

1.3 Описание лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 5. На передней панели смонтированы исследуемые ИП и ТП. С левой стороны преобразователей приведены их электрические схемы с необходимыми переключениями и клеммами. Переключатели П1 и П3 позволяют включать соответственно сопротивления нагрузок на выходы ИП (,кОм) и ТП (, кОм).

При среднем положении П1 и П3 нагрузки в выходных цепях преобразователя отключаются. Выключатель В2 служит для отключения одной половины дифференциального ИП с индуктивностями иот дифференциального трансформатора Тр. Клеммы 1, 2 (ИП) и 5, 6 (ТП) служат для включения внешнего вольтметра с большим внутренним сопротивлением ( кОм).

Перемещение якоря ИП измеряется микрометром 1. Ротор ТП соединен с ручкой 2, поворот которой контролируется угломером с пределами измерений 10.

Цепь питания ИП и ТП состоит из входных клемм ЗГ 3, 4 к которым подается напряжение звукового генератора, контрольного вольтметра 1 и переключателя П2, которым подключается напряжение с ЗГ к дифференциальному трансформатору ИП (положение 1) или ТП (положение 2).

Коэффициент трансформации по напряжению ТР равен

.

Исследуемый ИП дифференциальный и служит для измерения линейных перемещений в диапазоне 0.4 мм. Отличие его от вышерассмотренной схемы ИП (рис.2а) в том, что для удобства задания линейного перемещения полюса сердечников и якорь выполнены скошенными (рис. 6) и перемещение задается в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения сердечников.

Рис. 5. Схема лабораторной установки

При перемещении якоря на величину воздушный зазор для одной половины ИП уменьшается на величину, а для другой – увеличивается на эту же величину, тогда соответственно получим приближенные значения сопротивлений воздушных зазоров:

(1.3.1)

(1.3.2)

где =0.5 мм – начальный воздушный зазор;

=45° – угол скоса сердечника и якоря;

=5 мм – длина воздушного зазора;

=8 мм – ширина воздушного зазора.

Рис.6. Схема воздушного зазора ТП

Число витков индуктивностей иравно 1200 виткам. Исследуемый ТП электромашинного типа с 12-полюсным статором и 6-полюсным ротором. Данный тип ТП представляет совокупность 6-трехстержневых ТП, у которых крайние стержни общие, а, следовательно, и выходные обмотки. Из-за совмещения стержней и выходных обмоток сокращается их число на 1/3 и схема становиться дифференциальной по току и напряжению.

1.4 Порядок выполнения лабораторной работы

1. Изучить принцип действий ИП, ТП и ознакомиться с заданием лабораторной установкой. Зарисовать магнитные цепи исследуемых ИП и ТП, подготовить таблицы для экспериментальных ФП.

2. Включить в сеть 220 В звуковой генератор, вольтметр к клеммам 1, 2 дать им прогреться 2-3 минуты.

3. Исследование ИП (Переключатель П2 в положение 1)

а) Определение ФП дифференциального ИП при номинальных условиях (=10 В, =400 Гц):

• включить тумблером В2 вторую половину ИП

• установить якорь в среднее положение по минимальному значению ;

• перемещая якорь вправо, затем влево от среднего положения, снять ФП для обеих ветвей, при этом перемещение якоря влево от среднего положения изменяет фазу выходного напряжения на 180.

Измерения производить при значениях нагрузки: кОм, кОм, .

б) Определение реальной ФП дифференциального ИП при отклонениях напряжения питания, частоты и нагрузки от номинальных значений на величину U=-2 В; f=50 Гц:

• установить ,=400 Гц,кОм и снять ФП;

• установить ,=450 Гц ,кОм и снять ФП;

4. Исследование дифференциального ТП (переключатель П2 в положении 2).

а) Определение номинальной и реальной ФП ТП;

– включить вольтметр к клеммам 5, 6;

– номинальную и реальную ФП определить по методике в п.п. 3. согласно заданию, при этом учесть, что номинальное значение сопротивления нагрузки для ТП кОм, напряжение, а отклонение частоты=50 ГЦ, напряжения;

б) Определения зависимости чувствительности ТП от частоты питающего напряжения:

– установить номинальные значения напряжения и нагрузки;

– отклонить ротор ТП ручкой 2 (рис.5) от среднего положения (в любую сторону) на 5÷6;

– изменяя частоту питающего напряжения от 250 до 800 Гц, через 50 Гц замерить выходные напряжения, при этом поддерживать постоянной ;

– определить чувствительность ТП для замеренных значений напряжений.

5. Определение величины и формы нулевого сигнала:

– включить осциллограф в сеть 220 В, откалибровать его;

–включить выходы дифференциального ИП и ТП ко входу осциллографа, определить величину и форму нулевого сигнала при номинальных значениях ,,.

6. Выключить приборы и лабораторную установку.

1.5 Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. цель работы;

2. схему установки;

3. результаты измерений, занесенные в таблицу;

4. графики, построенные по результатам измерений;

5. выводы.

1.6 Контрольные вопросы

1. Какой характер имеют погрешности у ИП и ТП при изменении напряжения питания, частоты?

2. Почему изменяются ФП у ИП, ТП при изменении сопротивления нагрузки?

3. Почему появляется нелинейность у ИП, ТП при больших входных сигналах?

4. Как уменьшить «нулевые» сигналы у ИП, ТП?

5. Чем объяснить изменение чувствительности у ТП при изменении частоты питающего напряжения?