Тема: Датчики. Формирование сигналов в датчиках

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

ПМ.01 Контроль и метрологическое обеспечение средств и

систем автоматизации

МДК 01.01. Технология формирования систем автоматического управления типовых технологических процессов, средств измерений, несложных мехатронных устройств и систем

по специальности 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)

(базовой подготовки)

2017

Составитель:

Хазипова Л.Н., преподаватель ГАПОУ СПО «Альметьевский политехнический техникум»

Эксперты:

Внутренняя экспертиза

Техническая экспертиза: Зиннатуллина Э. И., методист ГАПОУ «Альметьевский   политехнический техникум»

Содержательная экспертиза: Суфиева Л.Н., председатель ЦК информационно-коммуникационных дисциплин и ПО ГАПОУ «Альметьевский политехнический техникум

СОДЕРЖАНИЕ

Общие методические указания по выполнению

Лабораторно-практических работ

Обучающиеся, впервые приступающие к работе в новой для них лаборатории, проходят инструктаж по технике безопасности, так как в каждой лаборатории имеются специфические особенности, которые могут привести к травмам и несчастным случаям. Особое внимание при этом уделяется точкам возможного поражения электрическим током, аппаратуре и линиям, работающим под давлением и т.д.

Для эффективного выполнения работ лабораторного практикума студент обязан провести предварительную домашнюю подготовку. Прежде всего, необходимо детально ознакомиться со всеми вопросами, относящимися к данной работе по конспектам лекций, учебникам, учебным пособиям и другой специальной литературе. Следует также использовать демонстрационный материал, представленный в лаборатории: приборы, аппаратуру, их макеты и модели, плакаты и др. Затем необходимо изучить лабораторный стенд, на котором предстоит выполнить работу, используемую аппаратуру и порядок выполнения работы. Перед выполнением работы лабораторного практикума проводится небольшой коллоквиум – опрос по тематике работы.

Требования к оформлению отчёта по лабораторной работе

 Отчёт по лабораторной работе оформляется индивидуально каждым студентом, выполнившим необходимые эксперименты (независимо от того, выполнялся ли эксперимент индивидуально или в составе группы студентов).

Теоретическая часть должна содержать минимум необходимых теоретических сведений о физической сущности исследуемого явления и его описание. Не следует копировать целиком или частично методическое пособие (описание) лабораторной работы или разделы учебника. В разделе Оборудование необходимо описать, с помощью каких приборов и каким образом исследовалось физическое явление, измерялись физические величины. Рисунки, блок-схемы установок, описание технологии и её особенностей, необходимость предварительных измерений 3 (градуировка, настройка и т.п.) – все это должно быть представлено в указанном разделе. Раздел «Результаты» включает в себя таблицы экспериментальных данных и графики, полученные при выполнении лабораторной работы. Графики выполняются при помощи компьютера. Если необходимо представить графики, полученные при выполнении работы в программе Multisim, то следует сделать снимок экрана окна программы (нужно нажать сочетание клавиш Alt + PrtScrn – при этом «снимок» экрана окажется скопированным в буфер обмена) и затем вставить его в нужное место отчёта, нажав сочетание клавиш Ctrl + V, или через меню Правка – Вставить. Если необходимо представить на графике результаты расчётов, то делать это следует с использованием специализированной программы для построения графиков, такой как, например, gnuplot, MathCad, Mathematica или другой аналогичной программы

.

Отчёт, как правило, должен содержать следующие основные

разделы:

1. Цель работы;

2. Теоретическая часть;

3. Оборудование (приборы, используемые в лабораторной работе);

4. Результаты (таблицы экспериментальных данных, графики);

5. Выводы;

6. Ответы на контрольные вопросы.

В случае необходимости в конце отчёта приводится перечень

литературы.

Лабораторная работа № 1

Тема: Датчики. Формирование сигналов в датчиках

1 Цель работы: изучение конструкции и принципа работы датчиков

Теоретическая часть

В датчиках осуществляется преобразование различных форм энергии в электрический сигнал.

В таблице 1.1 приведены некоторые примеры преобразования различных видов энергии в электрический сигнал с помощью микроэлектронных преобразователей.

Таблица 1.1

Рисунок 1.1 Составные элементы датчика

Датчики могут выдавать унифицированные сигналы разных типов.

Датчик – это устройство, которое под воздействием измеряемой величины выдает эквивалентный сигнал S, обычно электрический (заряд, ток, напряжение), являющейся функцией измеряемой величины:

где          S- выходная величина датчика.

               m - входная измеряемая величина.

Физическая связь между m и S может быть самой разнообразной, на вид функции влияют материалы, конструкция датчика, технология, окружающая среда и др. Проще всего определять вид функции F экспериментально при градуировке. Но грамотно спроектировать датчик, получать оптимальную точность, чувствительность и другие параметры, его характеризующие, можно только на основе понимания физики его работы и основных количественных соотношений, её характеризующих.

На рисунке 1.2 приведена типичная градуировочная кривая S=F(m). Стрелки вверх – влево соответствуют процессу градуировки, вправо – вниз использованию градуированной кривой для определения измеряемой величины по отсчёту показаний датчика S:

Рисунок 1.2. Градуировочная кривая датчика

  Идеальной градуировочной характеристикой является прямая линия, отклонения от неё характеризует нелинейность преобразования. Измеряемая величина зависит от внешних воздействий, поэтому на практике прямая не бывает.

С точки зрения формирования сигнала датчик может быть активным(генератором), выдающим заряд, напряжение или ток, либо пассивнымс выходным сопротивлением, индуктивностью или ёмкостью, изменяющимися под влиянием входной величины. Иногда их называют соответственно генераторными и параметрическими.

В случае, активного датчика выдаваемый им переменный электрический сигнал может измеряться непосредственно или после вспомогательных преобразований. При использовании пассивных датчиков обязательно присутствует электрическая схема, формирующая электрический сигнал. В таблицах 3 и 4 приведены примеры физических эффектов, используемых для построения активных датчиков и преобразований, характерных для пассивных.

Наряду с активными и пассивными возможны комбинированные датчики, реализующие цепочку последовательных преобразований.

Например, давление измеряется с помощью мембраны (первичный преобразователь) деформация которой вызывает изменения сопротивления.

Колоссальное практическое значение имеет вопросы влияния внешней среды (стабильность), погрешностей измерения и др., которые здесь не рассматриваются.

Таблица 1.2 - Физические эффекты, используемые для построения активных датчиков

Таблица1.3  Физические принципы преобразования величин, используемых для построения пассивных датчиков

 Схемы формирования сигналов пассивных датчиков

    Итак, измеренная величина m изменяет, например импеданс Z_с пассивного (параметрического) датчика. Эти изменения могут быть преобразованы датчиком в электрический сигнал путем включения в измерительную схему с источником напряжения ε_s или тока I_s. Схема сама характеризуется собственным импедансом Z_k и измеряемая величина преобразуется в напряжение выходного электрического сигнала:

V_m = ε_s P(Z_k, Z_c)

    Проще всего это достигается применением потенциометрических или мостовых схем. В более сложных генераторных схемах измеряемая величина преобразуется в изменение частоты

F_m = G(Z_k, Z_c)

    Генераторы могут быть источниками синусоидальных и прямоугольных сигналов; информация содержится в частоте этих сигналов, ширине импульсов, что повышает помехозащищенность системы. Есть системы с временной модуляцией.

    Потенциометрические и мостовые схемы проще, в них источником питания может служить источник постоянного или переменного тока. В последнем случае выходной сигнал схемы является результатом моделирования питающего напряжения сигналом Z_c. Если питание переменное, необходимо чтобы частота источника минимум в 5 раз превышала максимальную частоту изменения измеряемой величины. Для извлечения информации, выходной сигнал нужно продетектировать и отфильтровать.

    Рассмотрим сначала самые простые схемы.