Методы измерения параметров движения реферат
Обновлено: 07.07.2024
Современные технологии требуют непрерывного контроля за многими параметрами технологического процесса и контроля состояния оборудования. Одними из важнейших являются параметры механического движения, в частности параметры периодических перемещений исследуемого объекта в пространстве (вибрации). Этими параметрами являются виброперемещение (амплитуда вибрации) и виброскорость (частота вибрации).
Подобный контроль необходим в самых разных областях: в полупроводниковой электронике (контроль вибрации установок для выращивания кристаллов), в микроэлектронике (вибрация установок фотолитографии), в машиностроении (вибрация станков и биение деталей), в автомобильной промышленности (контроль вибрации отдельных узлов автомобилей и всего автомобиля в целом), на железнодорожном транспорте (датчики приближения поезда), в энергетике (контроль вибрации лопаток газовых турбин), в авиастроении (контроль биений турбин) и т.д. Этот список можно продолжать достаточно долго, что говорит о необходимости создания высокоточных вибродатчиков.
В настоящее время разработано достаточно много вибродатчиков, основанных на различных эффектах. Все они имеют свои преимущества и недостатки. Кроме того, существуют определенные трудности в теоретическом описании и моделировании работы вибродатчиков.
ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ.
Существует две группы методов измерения параметров вибраций: контактные, подразумевающие механическую связь датчика с исследуемым объектом, и бесконтактные, т.е. не связанные с объектом механической связью.
Рассмотрим вначале контактные методы. Наиболее простыми являются методы регистрации вибраций с помощью пьезоэлектрических датчиков. Они позволяют проводить измерения с высокой точностью в диапазоне низких частот и относительно больших амплитуд вибрации, но вследствии своей высокой инерционности, приводящей к искажению формы сигнала делает невозможным измерение вибраций высокой частоты и малой амплитуды. Кроме того, если масса исследуемого объекта, а следовательно и его инерционность не велика, то такой датчик может существенно влиять на характер вибрации, что вносит дополнительную ошибку в измерения.
В случае больших амплитуд вибраций регистрируется смещение резонансной частоты, что можно сделать с очень высокой точностью. Для повышения добротности и уменьшения дифракционных потерь используют сферические зеркала.
Разрешающая способность данного метода 3 мкм. Метод обладает малой инерционностью по сравнению с описанным выше, но его применение рекоменуется, если масса зеркала принципиально меньше массы исследуемого объекта.
Однако механическая связь датчика с исследуемым объектом далеко не всегда допустима, поэтому последние годы основное внимание уделяется разработке бесконтактных методов измерения параметров вибраций. Кроме того, их общим достоинством является отсутствие воздействия на исследуемый объект и пренебрежительно малая инерционность.
Все бесконтактные методы основаны на зондировании объекта звуковыми и электромагнитными волнами.
Одной из последних разработок является метод ультразвуковой фазометрии, описанный в [2]. Он заключается в измерении текущего значения разности фаз опорного сигнала ультразвуковой частоты и сигнала, отраженного от исследуемого объекта. В качестве чувствительных элементов используется пьезоэлектрическая керамика.
На частоте ультразвука 240 кГц. чувствительность измерения виброперемещения 10 мкм. в диапазоне от 10 до 5*10 мкм., расстояние до объекта до 1.5 м. На частоте 32 кГц. чувствительность 30 мкм., расстояние до объекта до 2 м. С ростом частоты зондирующего сигнала чувствительность растет.
В качестве достоинств метода можно отметить дешевизну и компактность аппаратуры, малое время измерения, отсутствие ограничения снизу на частотный диапазон, высокую точность измерения низкочастотных вибраций. Недостатками являются сильное затухание ультразвука в воздухе, зависимость от состояния атмосферы, уменьшение точности измерения с ростом частоты вибрации.
Большое распространение получили методы, основанные на зондировании объекта видимым светом. Описание и сравнение основных оптических методов приведено в [3].
Все оптические методы подразделяются на две группы. К первой относятся методы, основанные на регистрации эффекта Допплера. Простейшим из них является гомодинный метод, который позволяет измерять амплитуды и фазы гармонических вибраций, но с его помощью невозможно исследовать негармонические и большие по амплитуде вибрации. Эти недостатки можно устранить используя гетеродинные методы. Но они требуют калибровки и, кроме того, измерительная аппаратура сильно усложняется.
Существенным недостатком перечисленных выше методов являются высокие требования к качеству поверхности исследуемого объекта. Но они теряют свое значение при использовании голографических методов, которые и образуют вторую группу.
Голографические методы обладают высокой разрешающей способностью (до 0.05), но они требуют сложного и дорогостоющего оборудования. Кроме того, время измерений очень велико.
Общими недостатками оптических методов являются сложность, громоздскость и высокая стоимость оборудования, большое энергопотребление, высокие требования к качеству поверхности исследуемого объекта, высокие требования к состоянию атмосферы (определенная влажность, отсутствие запыленности и т.п.). Кроме того, лазерное излучение оказывает вредное влияние на зрение обслуживающего персонала и требует дополнительных мер предосторожности и защиты.
Часть этих недостатков можно устранить применяя методы, основанные на использовании СВЧ излучения [4]. Они подразделяются на интерференционные и резонаторные. В основе интерференционных методов лежит зондирование исследуемого объекта волнами ВЧ и СВЧ диапазонов, прием и анализ отраженных (рассеянных) объектом волн. Между излучателем и исследуемым объектом в результате интерференции образуется стоячая волна. Вибрация объекта приводит к амплитудной и фазовой модуляции отраженной волны и к образованию сигнала биений. У выделенного сигнала переменного тока амплитуда пропорциональна виброперемещению, а частота соответствует частоте вибрации объекта.
Один из вариантов интерференционного метода описан в [5]. Резонаторные методы основаны на размещении вибрирующего объекта в поле СВЧ резонатора (вне или, хотя бы частично внутри его), вследствие чего изменяются характеристики резонатора.
Бесконтактное измерение параметров вибраций резонаторным
методом возможно и при включении приемно-передающей антенны в частотнозадающую цепь СВЧ генератора, т.е. при работе в автогенераторном режиме. Такие системы называются автодинными генераторами или просто автодинами.
В [5] приведен пример автодинного измерителя вибраций на отражательном клистроне. Недостаток заключается в том, что клистрон требует больших питающих напряжений, что приводит к увеличению размеров аппаратуры и большому энергопотреблению. Но этого можно избежать, если в качестве СВЧ генератора использовать твердотельные СВЧ диоды (ДГ, ЛПД, ИПД, ТД и т.д.).
Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других признаков.
Каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера. В отношении технических особенностей можно сказать, что существует множество методов измерения, и по мре развития науки и техники, число их все увеличивается. С методической стороны все методы измерений поддаются систематизации и обобщению по общим характерным признакам. Рассмотрение и изучение этих признаков помогает не только правильному выбору метода и его сопоставлению с другими, но и существенно облегчает разработку новых методов измерения.
Для прямых измерений можно выделить несколько основных методов: метод непосредственной оценки, дифференциальный метод, нулевой метод и метод совпадений.
При косвенных измерентиях широко применяется преобразование измеряемой величины в процессе измерений.
2.Преобразование измеряемой величины в процессе измерений
Если мы проанализируем известные нам процессы измерений, то обнаружим, что в подавляющем большинстве случаев мы получаем числовое значение измеряемой величины, только после того, как тем или иным способом видоизменим ее. Рассмотрим в качестве примера измерение массы тела, которую мы измеряем с помощью обыкновенных равноплечих весов. Под действием земного притяжения создаются силы. Масса тела вместе с этими силами давит на одну чашку, а масса гирь - на другую. Подбирая гири, мы добиваемся равновесия, т.е. равенство этих сил. Это дает нам право сказать, что масса взвешиваемого тела равна массе гирь, принимая, что сила земного притяжения на расстоянии между чашками остается одной и той же. Как видим, для измерения массы нам пришлось преобразовать массы тела и гирь в силы, а для срванения сил между собой преобразовать их действие в механическое перемещение рычагов весов.
Другой пример - измерение давления газа при помощи трубчатого манометра. Металлическая трубка манометра, изогнутая по дуге, одним концом соединяется с резервуаром, в котором необходимо измерить давление газа. Другой конец трубки запаян. Под действием давления газа трубка разгибается и тем больше, чем больше давление. Свободный конец трубки перемещается в пространстве. Так осуществляется первая ступень преобразования. Перемещение конца трубки при помощи системы рычагов и зубчаток преобразуется во вращение оси (вторая ступень преобразования). На оси находится стрелка, конец которой перемещется по дуге над шкалой с делениями. Эта третья ступень преобразования, позволяющая получить числовое значение измеряемого давления.
Приведенные примеры показывают, что даже простые измерения проводятся путем преобразования измеряемой величины.
Необходимо отметить, что преобразования измеряемых величин всегда таят в себе опасность внесения погрешностей. Например, при взвешивании, описанном выше, мы не учли закона Архимеда, в соответствии с которым вес тела, находящегося в какой - либо среде, уменьшается на вес вытесненного телом объема среды, если плотность материала гирь отличается от плотности вещества взвешиваемого тела. Другими словами, объем вытесненного воздуха различен, при взвешивании влияние этого явления может исказить результат. Правда это влияние оказывается очень небольшим и учитывать его приходится только при точных взвешиваниях, в частности, при взвешивании драгоценных металлов.
Основным выводом из сказанного является то, что в подавляющем большинстве случаев измерения связаны с преобразованием измеряемой величины.
3.Метод непосредственной оценки
Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины непосредственно без каких - либо дополнительных действий со стороны лица, проводящего измерение, и без вычислений, кроме умноженияего показаний на постоянную измерительного прибора или цену деления.
Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым для практического использования, хотя точность измерения бывает обычно ограниченной.
Наиболее многочисленной группой средств измерений, служащих для измерений методом непосредственной оценки, являются показывающие приборы и вот числе так называемые стрелочные приборы. Показывающие измерительные приборы нередко в течение длительного времени непосредственно контактируют с измеряемой величиной. Указатель их непрерывно следует за изменением этой величины, что имеет большое значение при осуществлении технологических процессов, наблюдении за явлениями природы и т.п.
К показывающим измерительным приборам непосредственной оценки относятся манометры, динамометры, барометры, амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры, расходомеры, тягомеры, напоромеры, жидкостные термометры и многие другие.
Измерение при помощи интегрирующего измерительного прибора - счетчика также является методом непосредственной оценки.
В ряде случаев средство измерений приводится в контакт с измеряемой величиной только в тот момент, когда возникает необходимость узнать значение этой величины. К такой разновидности метода непосредственной оценки относятся, например, взвешивание грузов на циферблатных весах, измерение длины при помощи линейки с делениями или рулетки, измерение электрических величин при помощи переносных приборов и т.п.
4.Разностный или дифференциальный метод
Этот метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и величиной, значение которой неизвестно. Разностный метод позволяет получит результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств для измерения разности. Однако осуществление метода возможно только при условии воспроизведения с большой точностью известной величины, значение которой близко к значению измеряемой. Это во многих случаях оказывается легче, чем изготовить средство измерений высокой точности.
Проиллюстрируем сказанное на примере измерения длины как наиболее наглядном. На рис.1 рядом с телом, длину x которого следует измерить, помещена мера длины. Размер l меры известен с достаточной
точностью .Измерив небольшую разность между
длинами этих двух предметов a, мы сможем узнать а
длину x=l+a. Предположим, что погрешность изме-
рения размера a не превышает a, тогда результат x
измерения можно будет изобразить выражением l Рис.1
a±a или a(1±a/a), где a/a - относительная погрешность измерения а.
Определим относительную погрешность измерения величины x
где a/l+a- относительная погрешность измерения x.
Так как l значительно больше a, то относительная погрешность измерения x значительно меньше относительной погрешности измерения a
Измерение - один из важнейших путей познания природы человека. Оно играют значимую роль в современном обществе. Техника, наука и промышленность не смогут существовать без измерений. Каждую секунду в мире производится 1 млрд. измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения технического уровня и необходимого качества продукта, безопасности работы транспорта и т.д. Практически нет ни одной сферы деятельности, где бы не использовались результаты измерений. Диапазоны измеряемых величин постоянно растут. С ростом диапазона измеряемых величин возрастает и сложность измерения. Измерения по сути своей перестают быть одноактивным действием, превращаются в сложную процедуру подготовки эксперимента, интерпретации измеренной информации. В этом случае следует говорить об измерительных технологиях, понимающихся как последовательность действий, направленных на получение измерительной информации. Другой фактор, подтверждающий фактор измерений - их значимость.
Содержание
Введение…………………………………………………………….. 2
1.Определение механических величин, приборы для измерений……………………… ……..………………………..4
2.Применение в области ГСХ……………………………………22
Заключение…………………………………………………………..23
Список используемых источников и литературы…………….24
Работа содержит 1 файл
13.измерение механических величин .docx
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
ИЗМЕРЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Сведения об исполнителе:
Селиверстова М.М., Студент ГСХ 5-3, очная ____________________________ (личная подпись)
Сведения о научном руководителе: Резниченко С.А., кандидат технических наук, доцент ______________________________
1.Определение механических величин, приборы для измерений……………………… ……..………………………..4
2.Применение в области ГСХ……………………………………22
Список используемых источников и литературы…………….24
Наука начинается тогда, когда начинают измерять.
Д.И. Менделеев
Измерение - один из важнейших путей познания природы человека. Оно играют значимую роль в современном обществе. Техника, наука и промышленность не смогут существовать без измерений. Каждую секунду в мире производится 1 млрд. измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения технического уровня и необходимого качества продукта, безопасности работы транспорта и т.д. Практически нет ни одной сферы деятельности, где бы не использовались результаты измерений. Диапазоны измеряемых величин постоянно растут. С ростом диапазона измеряемых величин возрастает и сложность измерения. Измерения по сути своей перестают быть одноактивным действием, превращаются в сложную процедуру подготовки эксперимента, интерпретации измеренной информации. В этом случае следует говорить об измерительных технологиях, понимающихся как последовательность действий, направленных на получение измерительной информации. Другой фактор, подтверждающий фактор измерений - их значимость. Основой любой формы управления, планирования, анализа, контроля и регулирования является достоверная исходная информация, которая может быть получена путём измерения физических величин, показателей и параметров. Только высокая и гарантированная точность результатов измерений может обеспечить правильность применяемых решений.
Современный уровень науки и техники позволяет нам выполнять многочисленные и точные измерения, однако затраты на них равны затратам на исполнительные операции. Важной задачей метрологии как науки, является создание эталонов физических величин, имеющих диапазон необходимый для современной науки и техники. Эти эталоны постоянно совершенствуются, так как учитываются последние открытия науки.
Вся современная физика может быть построена на семи основных величинах, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. К ним относятся: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. С помощью этих и двух дополнительных величин — плоского и телесного углов — введенных исключительно для удобства, образуется все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание свойств физических объектов и явлений. В качестве примера можно указать следующие области и виды измерений:
- измерения геометрических величин: длин; отклонений формы поверхностей; параметров сложных поверхностей; углов.
- измерения механических величин: массы, силы, крутящих моментов, напряжений и деформаций, параметров движения, твердости, которые я и буду рассматривать в данном реферате.
- измерения параметров потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах; расхода газов; вместимости; параметров открытых потоков; уровня жидкости.
- измерения давлений, вакуумные измерения: избыточного давления; абсолютного давления; переменного давления; вакуума.
- физико-химические измерения: вязкости; плотности; содержания (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах; влажности газов, твердых веществ; электрохимические измерения.
- и многие другие.
Целью данного реферата является изучение измерения физических величин, методов и средств измерений, а так же применение этих измерений в системе городского и сельского хозяйства.
1.Определение механических величин.
К измеряемым механическим величинам относятся такие величины, как масса, сила, твердость, угловая скорость, ускорение, мощность, напряжения и многие другие. Рассмотрим некоторые из них.
Ма́сса - физическая величина, одна из основных характеристик материи, определяющая её инерционные и гравитационные свойства. Соответственно различают массу инертную и массу гравитационную (тяжёлую, тяготеющую).
Для измерений массы используют такие приборы, как весы, гири и компараторы массы.
Весы - один из древнейших приборов. Они возникли и совершенствовались с развитием торговли, производства и науки. Простейшие весы в виде равно-плечного коромысла с подвешенными чашками широко применялись при меновой торговле в Древнем Вавилоне и Египте (2 тыс. лет до н. э.). Несколько позднее появились неравно-плечные весы с передвижной гирей. В зависимости от назначения весы делятся на эталонные (для поверки гирь), лабораторные (в том числе аналитические) и общего назначения, применяемые в различных областях науки, техники и народного хозяйства. По принципу действия весы подразделяются на рычажные, пружинные, электротензометрические, гидростатические, гидравлические.
Существует большое количество автомобильных весов. Вот некоторые из моделей:
- Автомобильные весы ВСК(А).
В качестве измерительных элементов используются современные тензорезисторные датчики как собственного производства, так и импортных производителей. Измерительные элементы преобразуют силу тяжести, действующую на грузоприемную платформу, в электрический сигнал. Обработка и индикация сигнала осуществляется весовым терминалом который отображает результат взвешивания в дискретном цифровом виде. При подключении терминала к ПК появляется возможность анализировать данные взвешивания в специальной программе, вести статистику, создавать базы данных и распечатывать протоколы взвешивания.
Вагонные (железнодорожные) весы для статического взвешивания и взвешивания в движении типа "Курс" предназначены для статического повагонного и потележечного взвешивания четырехосных, шестиосных и восьмиосных железнодорожных вагонов и для взвешивания в движении железнодорожных вагонов и составов из них с целью измерения массы грузов, перевозимых железнодорожным транспортом.
Данные вагонные весы имеют НПВ от 100 до 200 тн и позволяют производить взвешивание в двух режимах работы: в статическом (взвешивание вагонов производится на одном или двух весовых модулях, весоизмерительного устройства) и в движении (взвешивание вагонов и состава в целом производится на одном весовом модуле).
Назначение: измерение сил сжатия, растяжения, знакопеременных сил конструкций энергетических установок. Работает с преобразователем Вт 5514.
Назначение: измерение крутящего момента. Работает с преобразователем Вт 5514.
Назначение: Измерение сил сжатия в системах измерения нагрузки от колес тягового подвижного состава. Работает в составе системы С 076.
Так же согласно общепринятому определению, Динамометр (от динамо. и . метр), прибор для измерения силы или момента, состоит из силового звена (упругого элемента) и отсчётного устройства. В силовом звене Д. измеряемое усилие преобразуется в деформацию, которая непосредственно или через передачу сообщается отсчётному устройству. Д. можно измерять усилия от нескольких н (долей кгс) до 1 Мн (100 тс). По принципу действия различают Д. механические (пружинные или рычажные), гидравлические и электрические. Иногда в одном Д. используют два принципа. По назначению Д. разделяют на образцовые и рабочие (общего назначения и специальные). Образцовые (см. Образ) (см. Обра) Д. предназначены для поверки и градуировки рабочих Д. и контроля усилий машин при испытании механических свойств различных материалов и изделий. По степени точности различают образцовые Д. 1-го, 2-го и 3-го разрядов: Д. 1-го разряда (рис. 1) предназначаются для поверки образцовых Д. 2-го разряда (рис. 2), которые, в свою очередь, применяются для поверки и градуировки Д. 3-го разряда и поверки Д. общего назначения. Д. 3-го разряда служат для поверки и градуировки испытательных машин и приборов, изготовляются с упругими элементами в виде замкнутых скоб, работающих в основном на изгиб, и замкнутых скоб или стержней, испытывающих деформацию сжатия или растяжения.
Основные параметры механического движения – перемещение, скорость и ускорение – связаны между собой, как известно, простейшими дифференциальными зависимостями. Это свойство параметров движения широко используется при построении аппаратуры для их измерения. Часто прибор для измерения какого-либо параметра движения имеет предварительный преобразователь, реагирующий на другой параметр, легче поддающийся измерению, а искомая величина получается путем применения интегрирующих или дифференцирующих звеньев в цепи дальнейшего преобразования (в датчике, измерительной цепи или указателе). Способы измерения параметров движения могут быть разбиты на две основные группы [16].
К первой группе относятся способы, основанные на осуществлении непосредственного контакта между движущимся объектом и системой, принятой за неподвижную. Контакт не обязательно должен быть механическим, он может быть создан оптическими, акустическими, радио и другими методами. Естественно входной величиной таких приборов является перемещение.
Вторая группа способов не требует осуществления непосредственного контакта с неподвижной системой, принятой за начало отсчета. Приборы этой группы называются инерциальными, и их естественной входной величиной является ускорение.
Приборы для измерения вибрационных перемещений называются виброметрами. Приборы для измерения скорости и ускорения – велосиметрами и акселерометрами. Как и всякий измерительный прибор, виброметры и акселерометры не должны заметным образом искажать измеряемый процесс. Иначе говоря, датчики этих приборов по возможности не должны увеличивать массу и изменять собственную частоту колебательной системы объекта измерения.
6.1.1. Методы измерения перемещения и скорости
При измерении транспортного перемещения (пути) прибегают к суммированию дискретных значений этого перемещения, определяемых длиной окружности колеса машины. Чаще всего в таких случаях с прокатываемым по земле основным или дополнительно установленным колесом связывают контактный или индукционный преобразователь, вырабатывающий импульсы за каждый оборот колеса (или за его дробную часть). Эти импульсы затем суммируются в указателе. Указателем в таком случае может служить электромеханический счетчик или какой-либо другой регистратор [16].
Аналогичные методы применяются и для измерения перемещений конвейеров, прокатываемых лент, проволоки и др.
Иначе измеряется путь, пройденный летящим телом (например, космической ракетой). В этом случае нельзя осуществить контакт с неподвижной системой отсчета (за исключением радиолокационных методов) и измерение пути производится инерциальными приборами посредством двойного интегрирования, действующего на датчик ускорения.
Скорость поступательного движения можно определить, продифференцировав измеренный путь или проинтегрировав ускорение этого движения. Наиболее простым способом дифференцирования является применение индукционных преобразователей.
Так же, как при измерении пути, при измерении скорости линейное движение предварительно преобразуется во вращательное, воспринимаемое датчиками. Широкое распространение для измерения скорости получили различного рода тахометры.
Читайте также: