Датчик линейного ускорения реферат
Обновлено: 05.07.2024
Содержание работы
Введение 3
1 Основные параметры 4
2 ВИДЫ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ 5
Заключение 12
Список использованных источников 13
Файлы: 1 файл
Документ Microsoft Office Word.docx
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
Физико-теоретические основы построения приборов и систем управления и навигации
Курсовая работа
Выполнил: ст. гр. 130801 Евсеев А.М.
Проверил: Лихошерст В. В.
1 Основные параметры 4
2 Виды акселерометров 5
Список использованных источников 13
Некоторые акселерометры также имеют встроенные системы сбора и обработки данных. Это позволяет создавать завершённые системы для измерения ускорения и вибрации со всеми необходимыми элементами.
Основными параметрами акселерометра являются
- Пороговая чувствительность (разрешение) — величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое способен определить прибор.
- Смещение нуля — показания прибора при нулевом кажущемся ускорении.
- Случайное блуждание — среднеквадратичное отклонение от смещения нуля.
- Нелинейность — изменения зависимости между выходным сигналом и кажущимся ускорением при изменении кажущегося ускорения.
Сенсоры, которые реагируют на ускорение и измеряют его, называютакселерометрами . Различают сенсоры линейного и углового ускорения.
Акселерометр, который измеряет линейное ускорение, т.е. ускорение поступательного движения тела, состоит из инертной массы М, упругого элемента У и демпфера Д (рис. 4.1). Конструкцияакселерометра должн а быть такой, чтобы инертная масса М могла перемещаться лишь вдоль одной прямой, которую называют осьюакселерометра. В контролируемом объекте, движущемся с ускорением а в направлении оси акселерометра, на массу М действует сила инерции, которая согласно второму закону Ньютона равняется Ма. Под действием этой силы инертная масса М приходит в движение, деформируя упругий элемент У, который противодействует движению. Чтобы в этой механической системе не возникали продолжительные колебания, используется демпфер Д, который тоже оказывает сопротивление движению инертной массы М с силой, пропорциональной скорости ее движения, и превращает энергию колебательного движения в тепло.
Рис. 4.1. Принципиальная механическая схема акселерометра
Движение инертной массы М описывается дифференциальным уравнением 2-го порядка:
где – отклонение инертной массы М от положения равновесия; – коэффициент затухания, обусловленный демпфированием; – коэффициент жесткости упругого элемента; – текущее ускорение объекта, на котором установлен акселерометр.
Демпфер обычно регулируют так, чтобы коэффициент затухания достиг критического значения. В этом случае время реакции акселерометра на изменение ускорения оказывается наименьшим, и даже при скачкообразном изменении ускорения колебания вокруг нового положения равновесия не возникают. Чтобы определить ускорение , достаточно измерить отклонение от положения равновесия или силу , которая действует на упругий элемент.
Таким образом, инертная масса М обеспечивает преобразование первичного информационного сигнала в виде линейного ускорения в механическое перемещение или в силу деформации упругого элемента. Упругий элемент обеспечивает линейность или, по крайней мере, взаимную однозначность преобразования. А демпфер предотвращает возникновение длительных колебательных процессов. Получается, что все они являются необходимыми составными элементами акселерометра.
На рисунке показана конструкция емкостного акселерометра, изготовленного с использованием МСТ. В кристалле кремния 1 вытравлены участки 2 так, что значительная инертная масса 3 механически отделена от других частей акселерометра. Она соединена с ними лишь тонкими перемычками 4, которые играют роль упругих элементов. На небольшом расстоянии (~ 10 мкм) от кристалла кремния сверху и снизу расположены металлические электроды 5 и 6. Роль демпфера играет вязкая непроводящая жидкость, которой заполняется пространство между электродами и кремнием.
Конструкция емкостного акселерометра
Инертная масса 3 в такой конструкции может перемещаться только по вертикали. Электрические ёмкости между ней и верхним (нижним) электродами включены в противоположные плечи электрической мостовой схемы переменного тока. Её балансируют так, чтобы при отсутствии ускорения сигнал на выходе равнялся нулю. Когда объект, на котором установлен акселерометр, движется с ускорением, направленным вдоль оси сенсора, инертная масса 3 смещается из положения равновесия, вследствие чего одна из емкостей возрастает, а другая уменьшается. Из-за нарушения баланса на выходе мостовой схемы появляется напряжение соответствующего знака и тем большее, чем больше ускорение. Мостовую электрическую схему, необходимые электронные ключи, усилители, элементы термокомпенсации, – все, что требуется для обработки сигналов и калибровки акселерометра, – формируют ныне методами МСТ на том же кристалле кремния.
В описанной конструкции акселеро метра ускорение, которое и является здесь первичным информационным сигналом, сначала превращается в линейное перемещение инертной массы. Перемещение, в свою очередь, преобразуется в изменение емкости верхнего и нижнего конденсаторов, а последнее – в электрический сигнал. Емкостные акселерометры марки ММА62хх, в том числе и для спортивных применений, выпускает, например, фирма Freescale Semiconductor Inc.
В пьезорезистивных акселерометра х измеряется не линейное перемещение инертной массы, а сила, которая действует на упругий элемент. Для измерения этой силы в упругих элементах формируют кремниевые пьезорезисторы. Например, в конструкции, показанной на рисунке, их формируют прямо в перемычках 4. Опорные пьезорезисторы, которые нужны для температурной компенсации, формируют на том же кристалле кремния в местах, где механическое напряжение не возникает, и включают в другое плечо мостовой электрической измерительной схемы.
Угловые акселерометры
Для измерения угловых ускорений требуется ротор 1 с достаточно большим моментом инерции (рис. 4.3) относительно оси вращения 2. Этому вращению должен противодействовать упругий элемент закручивания 3, который создает момент силы, пропорциональный углу закручивания. И также нужен демпфер, который гасит энергию возникающих крутильных колебаний. Тогда в случае возникновения углового ускорения контролируемого объекта в направлении оси акселерометра, ротор 1 под действием момента инерции поворачивается на определенный угол.
Рис. 4.3. Механическая схема углового акселерометра: 1 - ротор; 2 - ось вращения; 3 - упругий элемент; 4 - нижняя опора; 5 - верхняя опора
Вращение ротора описывается дифференциальным уравнением, аналогичным (4.1), в котором массу надо заменить на момент инерции ротора, линейное смещение на угол поворота, а линейное ускорение – на угловое ускорение. Роль демпфера играет регулируемый момент сил трения между осью ротора и опорами. Измеряя угол закручивания или момент силы на упругом элементе, можно определить величину углового ускорения.
С использованием микросистемных технологий угловые акселеромет ры нынче тоже делают в микроминиатюрном исполнении.
Является универсальным вибродатчиком, в настоящее время применяемым почти во всех областях измерения и анализа механических колебаний. Эксплуатационная характеристика пьезоэлектрических акселерометров в общем лучше характеристики любого другого вибродатчика. Пьезоэлектрические акселерометры отличаются широкими рабочими частотным и динамическим диапазонами, линейными характеристиками в этих широких диапазонах, прочной конструкцией, надежностью и долговременной стабильностью параметров.
Так как пьезоэлектрические акселерометры являются активными датчиками, генерирующими пропорциональный механическим колебаниям электрический сигнал, при их эксплуатации не нужен источник питания. Отсутствие движущихся элементов конструкции исключает возможность износа и гарантирует исключительную долговечность пьезоэлектрических акселерометров. Отметим, что отдаваемый акселерометром сигнал, пропорциональный ускорению, можно интегрировать с целью измерения и анализа скорости и смещения механических колебаний.
Основным элементом пьезоэлектрического акселерометра является диск из пьезоэлектрического материала, в качестве которого нормально используется искусственно поляризованная ферроэлектрическая керамика. Подвергаемый действию силы (при растяжении, сжатии или сдвиге) пьезоэлектрический материал генерирует на своих поверхностях, к которым прикреплены электроды, электрический заряд, пропорциональный воздействующей силе.
Датчики деформации пьезорезистивных акселерометров изменяют электрическое сопротивление пропорционально приложенному механическому напряжению. Монолитный датчик акселерометра включает в себя встроенные механические ограничители и обладает очень высокой прочностью при очень хорошем соотношении сигнал/шум. Акселерометры этого типа идеально подходят для измерения перемещения, низкочастотной вибрации и ударного воздействия и предназначены для испытаний на столкновение с препятствием, на флаттер, на езду по трудным дорогам, а также для биодинамических измерений и тому подобных приложений, требующих минимальной нагрузки массы и широкой частотной характеристики. Их можно также использовать для ударных испытаний легких систем или конструкций, они соответствуют спецификациям SAEJ 211 для антропоморфной макетной измерительной аппаратуры. Имея частотную характеристику, которая простирается до постоянного тока, т.е. до установившегося ускорения, эти акселерометры идеально подходят для измерений длительных переходных процессов, а также кратковременных ударных воздействий. Во многих случаях чувствительность оказывается достаточно высокой и предусиления выходного сигнала не требуется.
Пьезорезистивные акселерометры имеют минимальное демпфирование, поэтому не создают фазового сдвига на низких частотах. Однако им присущи проблемы при измерениях на низких частотах, и для преодоления этих недостатков требуется принимать специальные меры.
Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Последнее свойство используется для создания инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя, при регистрации амплитуд выше собственной резонансной частоты можно измерять непосредственно собственную скорость акселерометра.
Электронные В устройствах управления игровых приставок акселерометр совместно с гироскопом используются для управления в играх без использования кнопок — путем поворотов в пространстве, встряхиваний и т. д. Например, в контролерах Wii Remote и Playstation Move присутствует акселерометр.
Наравне с гироскопом является неотъемлемым компонентом навигации (системы управления траекторией движения) ракет и других беспилотных летательных аппаратов.
Акселерометры используют в жестких дисках для активации механизма защиты от повреждений, полученных в результате ударов, встрясок и падений. Акселерометр реагирует на внезапное изменение положения устройства и паркует головки жесткого диска, что позволяет предотвратить повреждение диска и потерю данных. Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.
Понятие и общие свойства датчиков. Рассмотрение особенностей работы датчиков скорости и ускорения. Характеристика оптических, электрических, магнитных и радиационных методов измерения. Анализ реальных оптических, датчиков скорости вращения и ускорения.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.01.2016 |
| Размер файла | 1,4 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
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"
Методы измерения ускорения и скорости. Физический принцип. Области применения. Преимущества и недостатки
студент 3 курса 4 группы
Антонов Сергей Эдуардович
Проверил: Земляков В.В.
Раздел 1. Основные теоретические сведения
1.1 Общие свойства датчиков
1.3 Датчики ускорения
Раздел 2. Реальные устройства и их применение
2.1 Оптический датчик скорости
2.2 Датчик скорости вращения
2.3 Датчик ускорения
Раздел 3. Анализ реальных датчиков
3.1 Анализ оптического датчика
3.2 Анализ датчика скорости вращения
3.3 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
1.1 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.
Рис. 2. Принцип действия электромагнитного датчика скорости.
Таблица 1 - Характеристики электромагнитного датчика скорости
Перемещение магнитного сердечника, дюйм
Сопротивление катушки, кОм
Индуктивность катушки, Гн
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.
1.3 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.
При калибровке датчика определяются следующие характеристики:
1. Чувствительность -- отношение электрического выходного сигнала к механическому входному. Она обычно выражается в вольтах на единицу измерения ускорения, соответствующую определенным условиям. Чувствительность обычно определяется для синусоидального сигнала с эталонной частотой.
2. Частотная характеристика -- поведение выходного сигнала в рабочем частотном диапазоне акселерометра.
3. Резонансная частота недемпфированного датчика -- четко детектируемый пик, который на 3-4 дБ выше выходного сигнала датчика на эталонной частоте. Для датчика с коэффициентом демпфирования, близким к критическому, этот пик может быть не очень отчетливым, в этом случае измеряется сдвиг фаз. На резонансной частоте он будет равен 180° относительно фазы сигнала на эталонный частоте.
4. Уровень выходного сигнала при нулевом внешнем воздействии (для емкостных и пьезорезистивных датчиков). Этот параметр определяется для положения датчика, в котором его чувствительная (активная) ось перпендикулярна направлению силы гравитации Земли. В датчиках, имеющих постоянную составляющую выходного сигнала, влияние гравитации необходимо устранять, иначе она может быть ошибочно воспринята как механическое воздействие.
5. Линейность акселерометра. Данный параметр определяется во всем динамическом диапазоне входных сигналов.
Акселерометры делятся по их физическому принципу работы. Выделяют:
· Тепловые акселерометры (с нагреваемой пластиной и нагреваемым газом)
Среди перечисленных принципов, емкостной метод преобразования измеренного перемещения является наиболее точным и надежным. Поэтому емкостные акселерометры получили самое широкое распространение.
Раздел 2. Реальные устройства и их применение
2.1 Оптический датчик скорости
При подаче напряжения на излучатель начинается вырабатываться оптическое излучение, которое при отсутствии препятствий попадает на фототранзистор (фотодиод, фотосимистор и т.д.), и он открывается при периодическом прерывании луча оптического излучения. На выходе фототранзистора появляются электрические импульсы, которые поступают на счетчик импульсов. Счетчик импульсов во взаимодействии с вычислителем производит преобразование импульсов в выходной сигнал, пропорциональный скорости вращения производственного механизма.
Рис. 5. Функциональная схема оптического датчика скорости
Оптические датчики скорости классифицируются на три группы:
· Тип T - с приемом прямого луча от излучателя;
· Тип R - с приемом луча, возвращенного от отражателя;
· Тип D - с приемом луча, рассеянно отраженного от объекта.
Рис. 6. Оптические датчики скорости (а - тип Т, б - тип R, в - тип D)
датчик оптический ускорение измерение
Тип T характеризуется тем, что излучатель и приемник размещены в отдельных корпусах. Прямой оптический луч идет от излучателя к приемнику и может быть перекрыт объектом воздействия.
Тип R характеризуется тем, что излучатель и приемник размещены в одном корпусе. Приемник принимает луч излучателя, отраженный от специального отражателя. При этом возможны два варианта использования этих изделий:
· объект воздействия прерывает луч при неподвижно закрепленном отражателе;
· отражатель закрепляется на подвижном объекте.
Тип D характеризуется тем, что излучатель и приемник размещены в одном корпусе. Приемник принимает луч излучателя, рассеянно отраженный от объекта воздействия.
Контролируемый объект может перемещаться как вдоль относительной оси, так и под углом к ней.
В качестве примера рассмотрим датчик скорости типа R фирмы НПК "ТЕКО" OX A42A-31P-1500-LZ (измеритель скорости и длины).
Датчик состоит из излучателя и приемника, встроенных в корпус. Оптическое излучение инфракрасного спектра от излучателя попадает на световозвращатель (катафот) и, отражаясь от него, попадает в приемник датчика. Контролируемый объект, попадая в зону действия датчика, прерывает оптическое излучение и вызывает изменение выходного сигнала датчика.
Предназначен для обнаружения контролируемого объекта и коммутации исполнительных устройств промышленной автоматики. Может использоваться, например, как датчик скорости на конвейере. А также, как защитный датчик (сигнализация).
Введение 3
1 Электромагнитный датчик скорости 5
2 Доплеровский измеритель скорости 7
3 Измерение скорости при помощи акселерометра9
4 Измерения скорости GPS-приемниками 10
Заключение 12
Список использованных источников 13
Датчик - это устройство, воспринимающие сигналы и внешние воздействия иреагирующие на них.
Датчики могут быть систематизированы по виду измеряемых величин, что может быть полезным при выборе датчиков для определения заданной величины.
По виду измеряемых величин датчики разделяют на следующие группы: перемещений; усилий; момента вращения; размеров; уровня; скорости; ускорения; параметров вибраций; давления и расхода; температуры; влажности; датчики для анализа состава вещества.
Этиобширные группы могут разделяться на подгруппы. Например, датчики перемещения имеют подгруппы линейного и углового перемещения, датчики температуры: высоких и низких температур и т. д.
Систематизация датчиков по виду их выходного сигнала позволяет определить, какие измерительные устройства наиболее пригодны для работы с данными датчиками или, наоборот, какие типы датчиков следует использовать длязаданных измерительных устройств.
По виду выходного сигнала датчики можно разделить на группы в зависимости от преобразования ими измеряемой величины в такие параметры как: сопротивление, индуктивность, емкость, постоянный или переменный ток, фаза переменного тока или напряжения, частота переменного тока или напряжения.
В зависимости от принципа действия датчики можно разделить на две большиегруппы: датчики параметрические и датчики генераторные.
Параметрические датчики характеризуются преобразованием измеряемой неэлектрической величины в параметр электрической цепи: сопротивление, индуктивность, взаимную индуктивность, емкость. Для обеспечения нормальной работоспособности таких датчиков необходимы вспомогательные источники электрической энергии.
Генераторные датчики характеризуютсяпреобразованием различных видов энергии в электрическую.
Датчик линейной скорости служит для определения скорости перемещение объекта. 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 определить скорость и положение крупных объектов, таких как наземные и морские транспортные средства, припомощи радиосигналов от большого количества спутников, вращающихся вокруг Земли. Определение скорости и положения таких объектов вычисляется по временным задержкам между сигналами, получаемых 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 наизмерении перемещений объекта относительно некоторого эталонного объекта, который часто входит с состав самого детектора. Поэтому чувствительный элемент, реагирующий на перемещение объекта, является одним из компонентов многих датчиков скорости и ускорения. Иногда таких элементов в основе датчиков скорости и акселерометров нет, поскольку они сами преобразуют своё движение в электрические сигналы.1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ
В соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе поля. Линейный датчик скорости построены на этом принципе магнитной индукции. В их состав входит постоянный магнит и катушка.
Чтобы читать весь документ, зарегистрируйся.
Связанные рефераты
Реферат на тему датчики ускорения
. кажущегося ускорения (разность между абсолютным ускорением объекта и.
Датчики скорости и ускорения
. ДАТЧИКИ СКОРОСТИ И УСКОРЕНИЯ Ускорение - динамическая.
Реферат на тему:Поступательное и вращательное дв
. времени одинаковые по модулю и направлению скорости и ускорения. Для доказательства.
Ускорение
3 Стр. 167 Просмотры
Датчик
. рассказывается как о датчиках скорости, их области применения и принципах действия, так и об.
Это особая, но широко распространенная группа датчиков, применяемая в тех случаях, когда входную величину не удается непосредственно преобразовать в электрическую. В этом случае осуществляется двукратное последовательное преобразование. Элемент, осуществляющий первое преобразование, называется чувствительным элементом. Наибольшее применение в этой группе нашли датчики давления и датчики линейных ускорений.
Датчики давления преобразуют давление жидкости или газа в электрическую величину. У многих датчиков чувствительный элемент преобразует давление в перемещение, которое затем преобразуется в электрический сигнал. В качестве чувствительных элементов используют мембраны и сильфоны.
Мембрана представляет собой тонкую пластинку, которая укрепляется на конце трубопровода (рис. 7.17, а).Под действием давления жидкости или газа жесткий центр мембраны прогибается, перемещая, например, движок потенциометра. Это перемещение изменяет выходное сопротивление датчика.
Сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную трубку из упругого материала (рис. 7.17, б). Под действием давления газа сильфон растягивается, перемещая, например, движок потенциометра. В результате изменяется выходное сопротивление датчика.
При измерении давления жидкостей применяется другая конструктивная схема сильфонного датчика (рис, 7.17, в). Жидкость под давлением р поступает в полость сильфона, который, сжимаясь, перемещает движок потенциометра.
Датчики линейных ускорений (акселерометры). Акселерометры преобразуют линейное ускорение в электрическую величину. Один из вариантов акселерометра преобразует ускорение в усилие, измеряемое затем пьезоэлектрическим датчиком (рис. 7.18) (1 — корпус датчика).
Кварцевая пластина 3 наклеивается на основание 4, а сверху к кварцевой пластинке с помощью токопроводящего клея приклеивается пластинка 2, называемая чувствительным элементом. Ось ОХ, перпендикулярная плоскости кварцевой пластины, называется осью чувствительности акселерометра. Акселерометр устанавливается на подвижном объекте. Когда объект движется с ускорением а вдоль оси ОХ, на чувствительный элемент действует инерционная сила, направленная в сторону, противоположную ускорению, и равная
где m — масса чувствительного элемента.
На чувствительный элемент действует также вес (сила тяжести) P = mg, где g — ускорение силы тяжести.
Для рассматриваемого варианта акселерометра эти силы совпадают по направлению, поэтому результирующая сила F = Fи + P = m(a+g).
При изменяющейся силе F возникает выходное напряжение
, (7.2)
где d - пьезомодуль; Сд - емкость датчика; См-емкость монтажа, K = dm/(Cд + См) — коэффициент передачи; ак = а + g — кажущееся ускорение.
Кажущимся называют ускорение, равное векторной разности действительного ускорения объекта а и ускорения силы тяжести —g, т. е. .Из формулы (7.2) видно, что акселерометр измеряет не действительное, а кажущееся ускорение объекта.
Читайте также: