Материал: Методы измерения ускорения и скорости. Физический принцип. Области применения. Преимущества и недостатки

Методы измерения ускорения и скорости. Физический принцип. Области применения. Преимущества и недостатки

Федеральное государственное автономное учреждение

высшего профессионального образования

Южный федеральный университет

Институт высоких технологий и пьезотехники ЮФУ

Кафедра " Информационных и измерительных технологий"

Направление: 12.03.01 "Приборостроение"

Курсовая работа

Методы измерения ускорения и скорости. Физический принцип. Области применения. Преимущества и недостатки

Выполнил:

студент 3 курса 4 группы

Антонов Сергей Эдуардович

Проверил: Земляков В.В.

Ростов-на-Дону

г.

Оглавление

Введение

Раздел 1. Основные теоретические сведения

1.1 Общие свойства датчиков

.2 Датчики скорости

.3 Датчики ускорения

Раздел 2. Реальные устройства и их применение

2.1 Оптический датчик скорости

.2 Датчик скорости вращения

.3 Датчик ускорения

Раздел 3. Анализ реальных датчиков

3.1 Анализ оптического датчика

.2 Анализ датчика скорости вращения

.3 Анализ датчика ускорения

Заключение

Литература

Введение

В настоящее время широко применяют устройства, которые информируют о состоянии внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы. Данные устройства называют датчиками. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п.

За последние годы все больше и больше измерений производится именно датчиками. Такое развитие обусловлено гигантским прогрессом электроники. Датчики широко применяют в бытовой технике, автомобилестроении, ракетостроении, самолетостроении, в создании спутников и др. Поэтому требуется создавать недорогие, но качественные и точные датчики.

Любой датчик базируется на определенном физическом принципе или принципах, таких, как: оптические, электрические, магнитные и радиационные методы измерения. Также одним датчиком можно прямо или косвенно измерять несколько величин. Например, электрический датчик деформации на мосте Уинстона может измерять как деформацию, так и силу, давление и массу.

Датчики оценивают по нескольким критериям:

чувствительность

точность

устойчивость к внешним воздействиям

низкая стоимость

На нынешнем этапе развития все эти критерии соблюдают экранированные микродатчики со встроенным микропроцессором для обработки, анализа и вывода результата на индикатор (лампочка, цифровое или аналоговое табло, микрокомпьютер). Данные датчики обладают большой чувствительностью и гибкостью в работе, а также высокой точностью измерений. Цена датчика будет зависеть от принципа измерения, сложности конструкции прибора, скорости и точности передачи на индикатор.

Раздел 1. Основные теоретические сведения

.1 Общие свойства датчиков

На датчик могут одновременно воздействовать различные физические величины (давление, температура, влажность, вибрация, ядерная реакция, магнитные и электрические поля и т.д.), но воспринимать он должен только одну величину, называемую естественной величиной .

На рис. 1 показано устройство воспринимающей системы. Датчик возвращает некую величину , зависящую от , которая затем поступает на предварительную обработку.

Рис. 1. Устройство воспринимающей системы с получением, обработкой и преобразованием сигнала: Ф→Т - первичный процесс, T→R - вторичный процесс, R→U - измерительный мост, Amp - усилитель.

Функциональную зависимость выходной величины  датчика от естественной измеряемой величины  в статических условиях, выраженную аналитически, таблично или графически, называют статической характеристикой датчика.

Статическая чувствительность представляет собой отношение малых приращений выходной величины к соответствующим малым приращениям входной величины в статических условиях.

По определению, статическая чувствительность равна

или, переходя к пределу, будем иметь

Это соотношение является постоянным, когда выходная величина (выходной сигнал) представляет собой линейную функцию входной величины (выходного сигнала). Если имеется нелинейная функция, то должны быть указаны точки, к которым относится данная чувствительность.

Чувствительность датчика - это, как правило, именованная величина с разнообразной размерностью, зависящей от природы входной и выходной величин.

Понятие чувствительности можно распространить на динамические условия работы. При этом под чувствительностью подразумевают отношение скорости изменения выходного сигнала к соответствующей скорости изменения входного сигнала:

В случае периодических, в частности синусоидальных, сигналов чувствительность может быть определена как отношение амплитуд выхода и входа.

Под порогом чувствительности датчика понимают минимальное изменение измеряемой величины (входного сигнала), вызывающее изменение входного сигнала.

Наиболее характерным показателем качества датчика является полный диапазон датчика, выражаемый отношением

где  - естественный предел измерения;  - порог чувствительности датчика.

Для каждого типа датчиков существует практически достижимый предел величины , определяемый принципом действия и характеристиками чувствительного элемента.

Гистерезисом называют неоднозначность хода статической характеристики датчика при увеличении и уменьшении входной величины.

Для упругих элементов (мембраны, пружины и т. д.) в понятие гистерезис также включают понятие упругое последействие.

Гистерезис относится в общем случае к случайным погрешностям, так как его величина определяется не только значениями входной величины, но и временными характеристиками работы датчика. Гистерезис выражается в процентах:

где  - изменение выходной величины в рабочих пределах.

Гистерезис возникает в датчиках из-за внутреннего трения в упругих элементах, трения в подвижных элементах, ползучести (например, в наклеиваемых тензодатчиках), магнитного гистерезиса и т.п.

Основной погрешностью датчика является максимальная разность между действительным значением выходного сигнала и его величиной, соответствующей истинному значению входного параметра. Эта разность определяется по статической характеристике датчика при нормальных условиях и обычно относится к разности предельных значений выходной величины:

Нормальными условиями эксплуатации датчика являются: температура окружающей среды ; атмосферное давление Па/мм рт. ст.; относительная влажность окружающего воздуха ; отсутствие вибрации и полей, кроме гравитационного поля.

1.2 Датчики скорости

Датчики скорости широко применяются в разных отраслях промышленности, сегодня существует много моделей, действующих по разному принципу и способных работать в различных условиях.

Скорость движения может быть либо угловой, либо линейной. Она показывает, насколько быстро объект движется по прямой линии или насколько быстро он вращается. Измерение скорости зависит от размеров объекта и может выражаться, например, в мм/с или миль/час. В настоящее время разработана глобальная система навигации (GPS), позволяющая определять скорость и положение крупных объектов, таких как наземные и морские транспортные средства, при помощи радиосигналов от большого количества спутников, вращающихся вокруг Земли. Определение скорости и положения таких объектов вычисляется по временным задержкам между сигналами, полученными от разных спутников. Для меньших объектов и меньших расстояний спутниковые системы не подходят. Здесь, как правило, применяется метод сравнения с эталонными величинами. Принцип действия таких детекторов часто основан на измерении перемещений объекта относительно некоторого эталонного объекта, который часто входит в состав самого детектора. Поэтому чувствительный элемент, реагирующий на перемещение объекта, является одним из компонентов многих датчиков скорости и ускорения. Иногда таких элементов в составе датчиков скорости и акселерометров нет, поскольку они сами преобразуют свое движение в электрические сигналы.

Например, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе. Линейные датчики скорости построены на этом принципе магнитной индукции. В их состав входит постоянный магнит и катушка индуктивности определенной формы. Выходное напряжение на катушке прямо пропорционально относительной скорости магнита в пределах рабочей зоны.

В датчиках скорости оба конца магнита находятся внутри катушки. При такой конструкции на выходе катушки будет всегда нулевое напряжение, поскольку напряжения, индуцируемые разными концами магнита, будут взаимно уничтожать друг друга. Чтобы этого не происходило, катушка делится на две части. Северный полюс магнита индуцирует ток в одной половине катушки, а южный - в другой (рис. 2). Обе катушки подключены последовательно друг с другом, но в противоположных направлениях. Выходной сигнал такого устройства пропорционален скорости движения магнита. Максимальное значение измеряемой скорости определяется в основном входными цепями интерфейсной электронной схемы, а минимальное - уровнем шума, особенно от расположенных рядом мощных устройств переменного тока. В таблице 1 приведены типовые характеристики электромагнитного датчика скорости. Сенсоры скорости являются пассивными, и в них движущимся элементом является сам постоянный магнит.

Таблица 1 - Характеристики электромагнитного датчика скорости

Также используют ультразвуковой датчик скорости, излучающий ультразвуковой сигнал, который при отражении от частиц, движущихся с разной скоростью, дает широкополосный отраженный сигнал, который принимается датчиком. Анализ спектра этого сигнала позволяет рассчитать осредненную скорость потока с учетом неравномерного распределения скоростей по поперечному профилю сечения.

Датчик скорости автомобиля (ДСА) сконструирован по принципу эффекта Холла и предназначен для преобразования частоты вращения приводного вала в частоту электрических импульсов, пропорциональных скорости движения автомобиля, или преобразования количества оборотов приводного вала в количество электрических импульсов, пропорциональных пройденному пути автомобиля, а также для систем управления впрыском топлива.

Бесконтактные магнитные датчики VSP-DD-3000M применяются как датчики скорости. Устройства реагируют на движущиеся тела из токопроводящих материалов. Применение этих датчиков особенно удобно для контроля транспортных механизмов (типа норий, транспортеров и т.п.), которые перемещают продукт диэлектрической природы. В этом случае можно исключить влияние продукта на срабатывание датчика. Достаточно большая рабочая зона датчика позволяет не изготавливать специальные крыльчатки и другие дополнительные приспособления для контроля скорости движущихся механизмов, а использовать уже имеющиеся в конструкциях механизмов движущиеся металлические детали (спицы колес, болты крепления на колесах, лентах и т.п.). Эти элементы конструкции, периодически проходя через зону чувствительности датчика, вызывают его срабатывание, что позволяет контролировать скорость этих механизмов при помощи устройств с функцией контроля скорости.

.3 Датчики ускорения

Как известно, перемещение объекта, его скорость и ускорение являются взаимосвязанными величинами, т.к. скорость и ускорение являются производными перемещения. С помощью простых электрических цепей преобразование ускорения в скорость и скорости в смещение может быть осуществлено с высокой точностью. Поэтому акселерометры на сегодняшний день являются основными датчиками вибрации: их выходной сигнал можно легко подвергнуть однократному или двукратному интегрированию и получить либо скорость, либо смещение.

Но метод интегрирования не пригоден для сигналов с малой частотой, где погрешность сигналов с большими шумами слишком велика и недопустима для проведения измерений. Поэтому в низкой полосе частот (около 1 Гц), как правило, используют датчики положения, для сигналов менее 1 кГц наиболее подходят датчики скорости, а в области высоких частот применяются датчики ускорения.

В зависимости от вида измеряемого движения акселерометры делятся на угловые и линейные. Линейные акселерометры состоят из магнита и катушки индуктивности, выходное напряжение которой прямо пропорционально скорости магнита. Т.к. линейные датчики способны измерять ускорение только в пределах своих габаритных размеров, их часто используют для измерения вибраций. В угловых акселерометрах магнит находится внутри катушки индуктивности и выходной сигнал пропорционален скорости движения магнита.

Вибрации - это динамическое механическое явление, заключающееся в периодических колебательных движениях вокруг заданного положения. В некоторых случаях, например, при проведении ударных испытаний, измерении линейных ускорений и т.д., вибрации могут отсутствовать, но это не меняет конструкции датчиков. Акселерометры считаются устройствами с одной степенью свободы, в состав которых входят: эталонная масса, упругая поддерживающая система (пружина) и рама, обладающая демпфирующими свойствами.

Рис. 3. А - Механическая модель акселерометра, Б - диаграмма свободных сил, действующих на свободное тело массой М

На рисунке 3 показана механическая модель акселерометра и диаграмма действующих на него сил. Отметим, что x0 равно сумме смещения тела от равновесного состояния x и некоторого фиксированного расстояния.

Правильно рассчитанный, изготовленный и откалиброванный акселерометр должен иметь одну резонансную (собственную) частоту и плоскую частотную характеристику, обеспечивающую получение точных измерений (рис. 4). В пределах плоской зоны датчик корректно реагирует на изменения входного сигнала. Для расширения динамического диапазона акселерометра, ограниченного резонансной частотой, применяют вязкое демпфирование. В качестве демпфирующей среды чаще всего используется силиконовая смазка.

Рис. 4. Частотная характеристика акселерометра. fref - эталонная частота, fп - собственная частота.