Методичка ОППиС (Первичные преобразователи)

3.Укажите основные соотношения, определяющие характеристики индуктив-

ных преобразователей.

4.Перечислите схемы включения индуктивных преобразователей.

5.Объясните принцип действия магнитоупругих и магнитострикционных пре-

образователей.

6.Укажите основные области применения электромагнитных преобразовате-

лей.

3.7. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

[4], с. 178…210, 332…346 или [6], [7], [8], [9], [15]

При изучении этого раздела студент должен изучить описание механизма пьезоэффекта. Следует понимать различие в прямом и обратном пьезоэффекте,

ознакомиться со свойствами пьезоэлектрических материалов и температурны-

ми характеристиками пьезоэлектриков.

Не менее важным является изучение конструктивных особенностей пьезо-

электрических преобразователей (акселерометров, датчиков акустического дав-

ления) и схем включения пьезоэлектрических преобразователей в измеритель-

ные цепи.

В этом же разделе рассматриваются общие принципы построения емкост-

ных преобразователей, представляющих собой электрические конденсаторы,

емкости которых меняются вследствие изменения под действием измеряемой величины площадей перекрытия обкладок, расстояний между обкладками или диэлектрической проницаемости среды.

Студенту важно изучить типы преобразователей и расчетные соотношения,

определяющие основные параметры преобразователей, а также области их применения.

Вопросы для самопроверки

1.Объясните механизм явления пьезоэффекта.

2.В чем отличие между прямым и обратным пьезоэффектом?

13

3.Какие пьезоэлектрические материалы получили наибольшее применение в пьезоэлектрических преобразователях?

4.Назовите конструктивные особенности пьезопреобразователей и области их применения.

5.Укажите общие принципы проектирования емкостных преобразователей.

6.Укажите основные параметры емкостных уровнемеров, измерителей не-

сплошности и датчиков манометров.

3.8. ЭЛЕКТРОННО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

[12], с. 41…49 или [1]

В этом разделе студент должен изучить основные принципы конструирова-

ния механотронов, схемы включения их в измерительную цепь, а также знать область применения.

Вопрос для самопроверки

1. Назовите основные характеристики механотронов и их конструктивные осо-

бенности.

3.9. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

[11], с. 266…286 или [9], [10]

При изучении этого раздела студент должен уяснить механизм явления фо-

тоэффекта и физические основы фотоэлектрических преобразователей.

Необходимо проанализировать наиболее распространенные источники из-

лучения и анализаторы фотоэлектрических преобразователей.

Следует знать основные характеристики, принцип работы и области приме-

нения преобразователей считывания, компенсационных и фазовых преобразо-

вателей, оптико-электронных первичных преобразователей.

Вопросы для самопроверки

1.Назовите наиболее распространенные источники излучения света.

2.В чем заключаются физические основы построения фотоэлектрических пре-

образователей?

14

3.Чем отличаются приемники излучения с внешним и внутренним фотоэффек-

том?

4.Укажите основные характеристики анализаторов и детекторов оптического излучения.

5.Укажите принцип построения и основные характеристики фотоэлектриче-

ского микроскопа.

6.Укажите основные характеристики оптико-электронных первичных преоб-

разователей.

3.10. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

[13], с. 13…48 или [14]

В этом разделе студент должен изучить физические принципы построения телевизионных преобразователей, методов и телевизионных средств контроля и проанализировать наиболее перспективные области применения.

Вопрос для самопроверки

1. Укажите, в чем преимущество телевизионных методов и средств контроля.

3.11. ПНЕВМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

[3], с. 18…27 или [1], [4]

Для освоения этой темы полезно проанализировать несколько схем пневмо-

электрических преобразователей и изучить принципы их построения.

Вопрос для самопроверки

1.Укажите наиболее эффективную область использования пневмоэлектриче-

ских преобразователей.

4.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ Введение

15

Дисциплина «Первичные преобразователи» читается студентам специали-

заций 190105 и 190120 специальности 190100 на IV курсе и является дисципли-

ной специализации. Таким образом, курсовая работа по данной дисциплине яв-

ляется завершающим этапом теоретической подготовки студентов к дипломно-

му проектированию.

Учитывая большое многообразие первичных преобразователей (датчиков),

в методических указаниях рассматриваются только некоторые из них, пред-

ставляющие интерес в ультразвуковой и лазерной технике, прикладной оптике,

а также преобразователи, используемые в приборах для контроля качества ма-

териалов и изделий неразрушающими методами.

Содержание курсовой работы

По своему содержанию курсовая работа разбивается на семь частей, две из которых являются введением и заключением.

Во введении необходимо изложить общие представления о первичных преобразователях.

Сформулировать признаки, на основании которых измерительный прибор можно отнести к классу первичных преобразователей.

Перечислить основные законы, явления и эффекты, открытие которых поз-

волило разработать целые классы первичных преобразователей. Привести клас-

сификацию преобразователей и перечислить основные характеристики, в част-

ности изложить сведения о передаточной функции и чувствительности преоб-

разователей, о физических величинах и схемах включения первичных преобра-

зователей в измерительную цепь. Требования для написания введения являются общим для всех вариантов задания на курсовую работу.

Последующие пять частей курсовой работы включают расчеты различных типов первичных преобразователей.

Численные данные для расчета берутся из таблиц по последней и предпо-

следней цифрам шифра студента.

Выполнение курсовой работы рекомендуется производить в следующей по-

следовательности:

16

1.Ознакомится с заданием на курсовую работу, уяснив конечную цель и исходные данные.

2.В соответствии с типом рассчитываемого преобразователя и своим зада-

нием, подобрать литературные источники, необходимые для работы.

3.По литературным источникам ознакомиться и изучить типы преобразова-

телей, аналогичные тем, которые подлежат расчету.

4.Рассчитать необходимые параметры преобразователя, согласно заданию.

Седьмой частью работы является заключение, в котором необходимо сту-

денту изложить свое мнение о роли первичных преобразователей в измери-

тельной аппаратуре. Представляет интерес материал, в котором студент описы-

вает личный производственный опыт работы с первичными преобразователями и прогнозирует пути развития и усовершенствования отдельных типов.

Пояснительная записка объемом 20-30 страниц должна заканчиваться списком используемой литературы.

ЗАДАНИЕ 1

Рассматривается преобразователь механического сигнала в виде упругой балки. Прежде чем приступить к решению задачи, студент должен кратко опи-

сать типы датчиков механического сигнала, закон Гука, передаточные функции и чувствительные для датчиков в виде упругого стержня и упругой балки.

Необходимо также указать области применения датчиков механического сигна-

ла.

После этого приступить к расчету максимального значения прогиба Zmax и

угла поворота αmax упругой балки, представленной на рис.1. при решении зада-

чи считать известными величинами E·J, интенсивность распределенной нагруз-

ки q и длину балки l.

Определить максимальную чувствительность балки к прогибу и углу пово-

рота. Решение задачи произвести в общем виде, путем решения дифференци-

ального уравнения упругой линии вида d2z/dx2 = -M/E·J

17

Путем интегрирования уравнения получить выражения для Qmax и Zmax, а

Численные данные выбираются из табл. 1.

Студенту необходимо самостоятельно выбрать сечение балки (прямоуголь-

ное или квадратное) и рассчитать момент инерции J, выбрать материал балки и из справочника определить модуль упругости E.

Особое внимание обратить на размерность чувствительности балки к углу поворота и прогибу.

Рис. 1

Таблица 1

Исходные расчетные данные

18

ЗАДАНИЕ 2

Произвести расчет пьезоэлектрического преобразователя, выполненного в виде прямоугольного параллелепипеда, имеющего стороны a, b и d (рис.2).

Рис. 2

Прежде чем приступить к расчету, необходимо кратко описать явления прямого и обратного пьезоэлектриков. Привести в упрощенной форме передаточные функции для прямого и обратного пьезоэффекта, а также выражения для чув-

ствительностей. Указать известные типы пьезопреобразователей и области их применения.

При расчете учесть, что параллельно оси Z на пьезоэлемент (рис.2) дей-

ствует механическая сила F, а сам пьезоэлемент выполнен из кварца, у которо-

го пьезоэлектрическая константа e11=2,3·10-12Кл/Н, диэлектрическая проницае-

мость ε11=4,5. Требуется определить выходное напряжение Uвых.

Произвести решение задачи в общем виде, учитывая, что передаточная функция для прямого пьезоэффекта может быть представлена как q=e11·F, а

Uвых=q/c, где с – емкость пьезоэлектрического конденсатора.

Воспользуемся численными данными, представленными в табл.2.

Таблица 2.

Исходные расчетные данные

19

ЗАДАНИЕ 3

Содержит систему двух первичных преобразователей – емкостного и пье-

зоэлектрического, представленную на рис.3.

Рис. 3

Предварительно необходимо описать эффект изменения емкости, емкост-

ные преобразователи с плоскими и коаксиальными электродами, передаточные функции и чувствительности для двух типов преобразователей, области приме-

нения емкостных преобразователей.

При решении задачи учесть, что к электродам емкостного преобразователя прикладывается электрическое напряжение в виде суммы напряжений – посто-

янного и переменного тока. К отрицательному электроду приклеены пьезоэлек-

трические преобразователи, электрически соединенные последовательно.

Определить передаточные функции емкостного и пьезоэлектрического преоб-

разователей, а также общую чувствительность системы.

При решении задачи необходимо учитывать, что механическое давление электрического поля емкостного преобразователя может быть определено из выражения:

P = -∂W/∂d,

20