МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ до лабораторних робіт з дисципліни «ЕЛЕКТРИФІКАЦІЯ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА»

Скачати 0.66 Mb.

Назва	МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ до лабораторних робіт з дисципліни «ЕЛЕКТРИФІКАЦІЯ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА»
Сторінка	3/6
Дата	08.04.2013
Розмір	0.66 Mb.
Тип	Методичні рекомендації

bibl.com.ua > Фізика > Методичні рекомендації

1 2 3 4 5 6

Лабораторна робота №5

Дослідження дротяних тензорезисторних датчиків
Мета роботи: отримати навички в дослідженні, розрахунку та виборі дротяних тензометричних датчиків.

Прилади та обладнання:

1.Вимірювальна схема з гнучкою балкою та наклеєними тензометричними датчиками та блоком живлення напругою постійного струму 12В.

2.Мікроамперметр-50мкА.

3.Підсилювач постійного струму.

4.З”єднувальні провідники.
Основні теоретичні положення:

В основу роботи тензорезисторів покладена властивість деяких провід- никових та напівпровідникових матеріалів змінювати активний опір при деформації за рахунок зміни геометричних розмірів та питомого опору.

Провідникові матеріали підрозділяють на дротяні та фольгові. Дротяні тензорезистори представляють собою петлеподібний дріт 2 із константа діаметром 0,01…0,05 мм, укладений між двома електроізоляційними гнучкими прокладками 1 (Рис.1,а), до кінців дроту припаяні вивідні кінці 3. Фольгові тензорезистори (Рис.1,б) мають вид решітки зі стрічки товщиною 0,004…0,012 мм, яка закріплюється між плівками з лаку.

Напівпровідникові тензорезистори представляють собою тонку (до 0,01мм) пластинку з германію або кремнію, до кінців якої спеціальним методом прикріплюються вивідні провідники.

Чутливість тензорезисторів до деформації визначається за формулою

,

де: R, l – опір та довжина дротяного елементу тензорезистора; ΔR,Δ l – добутки опору та довжини; λ = ΔR/R – відносна зміна питомого опору дроту при його деформації; ε = Δ l / l – відносна деформації; μ – коефіцієнт Пуассона (для металів - 0,24…0,4); ρ, Δρ – питомий опір тензочутливого матеріалу та приріст питомого опору.

Характеристика тензодатчика ΔR/R = f(Δ l / l) близька до лінійної, тому чутливість тензодатчика майже постійна.

Тензорезистори наклеюють безпосередньо на об’єкт дослідження, який контролюється, або до пружного елементу, деформація якого є відомою

функцією контролюємого параметру. Вибір конструкції та матеріалу пружного елементу здійснюють за характером та діапазоном зміни контролюємої величини, конструктивними та експлуатаційними особливостями об’єкту контролю, допустимою похибкою.

Чутливість тензорезисторів практично постійна та залежить від властивостей матеріалу, технології виготовлення, якості основи та наклейки тензорезисторів (товщини та суцільності шари клею, його однорідності, значення адгезії, повзучості, вологостійкості та ін.).

Для підвищення чутливості тензорезисторів використовують спеціальні вимірювальні схеми, у яких зміна опору тензодатчиків перетворюється у зміну електричного струму, напруги, частоти або кодового сигналу. Одночасно вимірювальні схеми дозволяють додавати або віднімати відносні зміни опорів декількох тензодатчиків, виключати (послаблювати) вплив температури та деяких інших факторів на вихідний сигнал датчика.

Чутливість вимірювальних схем залежно від характеристики перетворень визначається одним з виразів:

;

,

де: ΔI,ΔU, Δf- відповідно зміна струму, напруги, частоти вихідного сигналу.

Найбільше розповсюдження отримали потенціометричні та мостові вимірювальні схеми з тензодатчиками.

На схемі рис.2,а наведена типова потенціометрична схема. Послідовно включені пасивний резистор R1 та тензорезистор R2 отримують живлення від джерела постійного струму з напругою Uст. При R2<< Rн напруга між точками А і Б

Максимальна чутливість схеми досягається при R1 = R2 = R. Вважаючи, що ΔR/R = ST· ε, отримуємо:

Більш досконалими є мостові вимірювальні схеми з тензодатчиками (рис.2,б). Працюють вони на постійному та змінному струмі (невисокої частоти – до кГц). Живлення моста здійснюється від джерела, що під”єднується до точок А і Б – однієї діагоналі моста. До іншої діагоналі моста (точки В і Г) під”єднується навантаження . Тензорезистори можуть включатися у одне, два суміжних, або в усі чотири плеча. Якщо всі тензорезистори, що включають у вимірювальний міст, є активними, то зміна опорів тензорезисторів в суміжних плечах повинна бути протилежною за знаком при позитивних та від’ємних деформаціях.

Рис.1.Схеми тензорезисторних перетворювачів: а) – дротяного; б) – фольгового.

Рис.2.Вимірювальні схеми тензорезисторних перетворювачів: а) – потенціометрична; б) – мостова.

Рис.3.Схеми врівноважування тензорезисторних мостів: а) – регульованим конденсатором; б) – регульованим резистором.
Використання двох або чотирьох активних тензорезисторів збільшує чутливість датчика у 2 або 4 рази відповідно. Також при цьому відбувається безпосередня (пряма) компенсація негативного впливу на точність вимірювання коливань температури та напруги живлення.

Для мостової вимірювальної схеми , живлення якої здійснюється напругою постійного струму, можна визначити :

1.Баланс моста - за умови:

; різниця потенціалів вимірювальної діагоналі Uн = 0.

2.Розбаланс моста – за умови:

; різниця потенціалів вимірювальної діагоналі: а) Uн < 0; б) Uн > 0.

Якщо живлення моста здійснюється змінним струмом, тоді активні опори у плечах моста слід замінити повними опорами – комплексними величинами Z=R+jx, де R-активний опір; x – реактивний опір. Реактивна складова з”являється як результат реактивної асиметрії елементів моста (впливу індуктивного та ємнісного опорів елементів , в тому числі впливу паразитних ємкостей та ємкостей асиметрії з’єднувальних ліній). Рівновага моста досягається при виконанні умови:

Врівноважування активної та реактивної складових опорів моста здійснюють за допомогою регульованих резисторів та конденсаторів RБЛ, СБЛ (рис.3а,б).

Сигнал на виході вимірювальних схем з тензодатчиками невисокої потужності і тому для його підсилення застосовують підсилювачі, до яких вимогами є стабільність характеристик, точність, високий коефіцієнт підсилення. Таким вимогам відповідають сучасні диференційні підсилювачі постійного струму.

На рис.4,а представлена схема вмикання вимірювального моста з активним R1 та компенсаційним R2 тензорезисторами. Резистором R3 врівноважують міст при відсутності деформації. Живлення моста здійснюють від джерела стабілізованої напруги постійного струму. Допоміжним балансним опором мостової схеми є резистор R4. Сигнал з виходу моста подається на підсилювач постійного струму на базі операційного підсилювача на інтегральній мікросхемі (ІМС). Захист вхідного кола від можливого пробою при ушкодженні тензорезисторів здійснюють діодами VD1, VD2. Резистор R5 забезпечує регулювання коефіцієнта підсилення. Ємкість С створює додатковий зворотній зв’язок, що охоплює операційний підсилювач та може скоректувати нелінійність, що властива неврівноваженим мостам та нелінійність тензорезисторів. Транзистор VT1 призначений для збереження працездатності підсилювача при випадковому замиканні вихідної клеми.

Рис.4.Вимірювальні тензорезисторні схеми з підсилювачами: а) постійного струму;б) змінного струму

На рис.4,б представлена вимірювальна схема з підсилювачем змінного струму. Вхідний трансформатор Тр забезпечує узгодження малого опору тензорезисторів з великим вхідним опором підсилювача, що дозволяє збільшити відношення корисний сигнал/шум. Конденсатори С2, С3 зменшують послаблення сигналу на виході каскада через опори R7, R8.

Для підсилення сигналу, що отримують на виході тензометричного моста, використовують операційнї підсилювачі постійного струму у мікроінтегральному виконанні. Вимірювальна схема забезпечує вимірювання дуже малих струмів (10^-6…10^-9А).

Порядок виконання роботи :

1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами

по вивченню тензорезисторних датчиків, підготувати звіт до фіксації результатів

досліджень.

2.Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему дослідження.

3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.

4.Включити QF 1, за допомогою R 3 встановити стрілку приладу на " 0 " .

5.Поступово навантажуючи балку гирями (через кожні 2 кг ) знімати показники мікроамперметру. Отримані дані занести в таблицю (І1,мкА).

6.Поступово розвантажуючи балку, знімати показники мікроамперметру та занести їх в таблицю (I2 мкА). 7.За отриманими даними побудувати графічні характеристики тензометричної установки ( Рисунок 5 ) .

8.Закінчивши виконання роботи, вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування установки у вихідне положення .

Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи. Дайте відповіді на контрольні питання.

Рис.5.Характеристика тензодатчика

Контрольні питання:

1. Поясніть принцип дії тензорезисторних датчиків.

2. Що є вхідною величиною тензорезисторного датчика?

3. Назвіть параметри тензорезисторних датчиків.

4. Поясніть характеристики тензорезисторних датчиків.

5. Яку напругу живлення використовують у схемах тензометричних установок?

6. Від чого залежить чуттєвість тензорезисторних датчиків?

7. Вимірювальні схеми тензорезисторних датчиків.Переваги мостових схем.

8. Використання підсилювачів у тензометричних установках.

9. Фізичний сенс балансу "0" вимірювальної схеми тензометричної установки?

10. Поясніть призначення елементів лабораторного стенду та порядок виконання роботи.
Література: [ 2 ] , с 97…105, [ 3 ] , с 63…87.

Лабораторна робота №6

Вивчення датчиків освітленості та фотореле.
Мета роботи: отримати навички в дослідженні, розрахунку та виборі датчиків освітленості.

Прилади та обладнання:

1.Універсальний лабораторний стенд.

2.Люксметр.

3.Фотодатчики.

4.Лампа розжарювання ~220В 75Вт.

5.Вимірювальні прилади постійного струму – мА, мкА, В.

6.З”єднувальні провідники.
Основні теоретичні положення:

У сільськогосподарській техніці датчики освітленості використовують в складі пристроїв, що забезпечують сортування продуктів (томатів, яблук, полуниці та ін.) за кольором та визначення якості на просвічування (зерна, яєць), у регуляторах освітленості та інтенсивності опромінення у теплицях, у тваринництві та птахівництві, у пристроях автоматичного вмикання та вимикання вуличного освітлення, у вимірювачах забрудненості повітря та рідин, у газоаналізаторах, у пристроях контролю полум’я у топках, у різноманітних захисних пристроях, в складі датчиків переміщення, тиску, рівня та ін. пристроях.

Чутливими (сприймаючими) елементами датчиків є вакуумні фотоелементи, фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори (рис.1,а).

Фоторезистор - напівпровідниковий прилад, у якому під дією світла зростає кількість вільних електронів, а значить, і електропровідність. Зростання електропровідності напівпровідника під дією світлової енергії називають внутрішнім фотоефектом. Фоторезистор у більшості випадків представляє собою нанесену на скляну пластину 5 тонку шару напівпровідникової речовини 4. До протилежних боків напівпровідникового матеріалу прикріплюють металеві електроди 1, призначені для вмикання фоторезистора у електричне коло. Пластинку з нанесеним на неї напівпровідниковим матеріалом запресовують у пластмасову форму 2 з отвором (робочим вікном) для проходження променей. Робоче віконце покривають світлопроникливим лаком 3.

Фоторезистори характеризуються відносно високою світлочуттєвістю, простотою конструкції, малими габаритами, відносно значною потужністю розсіювання та практично необмеженим терміном служби. Вони можуть працювати у колах постійного та змінного струму. Такі якості обумовили широкі сфери застосування фоторезисторів. До недоліків фоторезисторів слід віднести деяку залежність їх параметрів від температури та нелінійну залежність сили фотоструму від світлового потоку, а також деяку інерційність (постійна часу фоторезисторів у межах

при світловому потоці

лм).

Вакуумний фотоелемент – вакуумна або наповнена газом лампа з катодом К з світлочуттєвого матеріалу, нанесеного на жорстку основу – “підложку” (внутрішню поверхню скляного балону), та анодом А у вигляді кільця або пластини (рис.1,б).

Вакуумні фотоелементи як правило працюють у режимі насичення, коли фотострум залежить тільки від освітленості та не залежить від прикладеної напруги.

На відміну від фоторезистора електрони, які в результаті дії фотоефекту отримали енергію та стали вільними носіями зарядів (фотоелектрони), не залишаються у освітленому шарі, а віддаляються від нього (зовнішній фотоефект). Для збільшення чутливості колбу вакуумного фотоелемента заповнюють інертним газом. Фотоелектрони, зіштовхуючись із атомами газу, іонізують його та під дією електричного поля підсилюють струм. Такі фотоелементи називають іонні.

Вакуумні фотоелементи інерційні, “старіють” в процесі експлуатації, тобто втрачають стабільність характеристик та параметрів з часом.

Фотодіод – напівпровідниковий приймач променистої енергії, у якому відбувається направлений рух носіїв струму під дією енергії оптичного випромінювання (Рис.1,в). Працюють у двох режимах: фото-перетворювальному - із зовнішнім джерелом живлення та фотогенераторному – без джерела живлення. На p-n-перехід фотодіода подається напруга постійного струму зворотної полярності по відношенню до прямого вмикання. При освітленні відбувається генерація носіїв зарядів, котрі під дією електричного поля на межі p-n-переходу створюють різницю електричних потенціалів. Фотоперетворювальний режим дає значне підвищення світлочутливості, що неможливо у звичайних вентильних фотоелементів.

Фототранзистор – напівпровідниковий приймач променистої енергії, що має направлений рух носіїв зарядів та властивості підсилення фотоструму під дією енергії оптичного випромінювання (Рис.1,г). Конструктивно фототранзистор представляє собою напівпровідникову пластину з трьома областями, що йдуть по черзі: p-n-p – або n-p-n – провідності. Ці області мають контактні виводи для вмикання фототранзистора у схему. Базова область Б доступна для проникнення світла. Під дією світла у базовій області утворюються пари електрон-дірка, які під впливом електричного поля діффундують у емітерну Е та колекторну К області транзистора. В результаті утворюється струм, що протікає через емітерно- базовий перехід та підсилює струм колектора (аналогічно тому, як це відбувається у звичайному напівпровідниковому транзисторі). Фототранзистори порівняно з фотодіодами мають додаткові можливості. Їх роботою можна керувати не тільки за рахунок світлового потоку, але й електричним сигналом одночасно. Крім того чутливість фототранзисторів набагато вища. Вмикання фототранзистора практично не відрізняється від вмикання звичайних транзисторів. Найбільш розповсюдженою є схема із загальним емітером. Іноді фототранзистори вмикають по схемі із вільним емітером або вільною базою (у діодному режимі).

Рис.1. Схеми вмикання:

а) – фоторезистора; б) – вакуумного фотоелемента; в) – фотодіода;

г) – фототранзистора; д) – фототиристора.
Фототиристор – чотиришаровий напівпровідниковий прилад з p-n-p-n-переходами, керуємий світлом (рис.1,д).Фототиристори поєднують у собі позитивні властивості тиристора та перетворювача оптичної енергії у електричну. Принцип дії фототиристора подібний до принципу дії фототранзистора. Під дією освітленості у напівпровідниковому шарі відбувається генерація пар електрон-дірка, які під впливом прикладеного електричного поля беруть участь у зростанні струму, що протікає через структуру фототиристора. Дія світла на p-n-p-n-структуру має той самий ефект, що і дія струму керуючого електроду КЕ у тиристорів. Але світлове керування фототиристорами має важливу перевагу порівняно з електричним, так як воно не передбачає гальванічного зв”язку з силровим колом та дозволяє використати керуючий електрод для інших схемних призначень, наприклад, для встановлення необхідних чутливостей або температурної стабілізації. Порівняно з фотодіодами та фототранзисторами фототиристори мають більшу інтегральну чутливість. Крім того вони мають велику навантажувальну здатність за малої потужності керування, високу швидкодію, великий діапазон робочих напруг. Фототиристори використовують у фотореле, у оптоелектронних пристроях, в якості вихідних силових безконтактних елементів. Фототиристори можуть витримувати значні(до десятків А) сили струми при напрузі сотні В.

Фотоварікап – напівпровідниковий прилад, ефективна ємність якого змінюється в залежності від інтенсивності та спектрального складу світлового потоку. В якості фотоварікапів використовують вентильні сірністо-срібні фотоелементи та структурні фотоємкості на основі сірчастого кадмію, сірчастого свинцю, кремнію та германію.

Світлодіоди – випромінюючі світлову енергію напівпровідникові діоди, працюючі на явищі електролюмінісценції при протіканні струму у напівпровідниках з p-n-переходом. Світлодіоди знаходять дуже широкі схери застосування, враховуючи їх переваги: мала потужність споживання, значний термін служби, висока швидкодія, висока чутливість, сумісність з цифровими пристроями та деякі інші.

Властивості фотосприймаючих елементів визначають характеристиками та параметрами, з яких головними для схем автоматизації є світлові та вольт-амперні характеристики (рис.2 та рис.3).

Світловою характеристикою

називають залежність фотоструму від світлового потоку Ф (освітленості Е) за незмінної прикладеної напруги.

1 2 3 4 5 6

Схожі:

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ З ДИСЦИПЛІНИ «ЕЛЕКТРИФІКАЦІЯ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО... Поняття потенціалу, напруги, електрорушійної сили (ЕРС), сили струму, електричного опору	Методичні рекомендації щодо виконання лабораторних робіт з дисципліни... Методичні рекомендації щодо виконання лабораторних робіт з дисципліни «Біометрія» / Укладач: к б н., доцент Іванченко О.Є. ЁC Дніпропетровськ:...
Для магістрів державного управління Донецьк 2007р Методичні вказівки до лабораторних робіт до лабораторних робіт з нормативної дисципліни „Технології комп’ютерних мереж”	Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Одеський національний... Методичні вказівки та завдання щодо виконання лабораторних робіт з дисципліни “Бухгалтерський облік” для студентів напряму: 030509...
МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО ВИВЧЕННЯ ДИСЦИПЛІНИ “ІСТОРІЯ РОСІЇ” Вміщені плани семінарських занять, теми та завдання індивідуальних робіт з з дисципліни “Історія Росії” (ІХ – поч. ХХ ст.) та методичні...	Затверджено Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни «Інформатика» для студентів напряму підготовки 050101 – “Комп’ютерні науки...
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Одеський національний... Завдання щодо виконання лабораторних робіт з дисципліни “Бухгалтерський облік” для студентів напряму: 030509 „Облік і аудит”/ Укл.:...	Методичні рекомендації шодо проведення семінарських та практичних... Методичні рекомендації щодо проведення семінарських і практичних занять з кримінального процесу для студентів інституту фінансово-економічної...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Фізичні... Рекомендовано до друку Методичною радою Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки, молоді та...	МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ТА ТЕМАТИКА КУРСОВИХ РОБІТ Тематика курсових робіт з дисципліни “Технологія і організація туристичної діяльності”

Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання