27

Методические указания к курсовой работе

«Электроника и микропроцессоры»

для студентов вечернего отделения

факультета Автоматизация и управление.

Цель курсовой работы: Закрепление теоретического материала и приобретение навыков проектирования электронных устройств с выполнением принципиальных электронных схем.

Типовое название и типовая структурная схема

Типовое название - информационно-измерительная система контроля величины (указать какой именно) в технологическом процессе (указать каком именно) с датчиком (указать каким именно), аналого-цифровым преобразователем (указать каким именно) и блоком питания (указать каким именно). Типовая структурная схема приведена на рис. 1.

Первичный преобразователь (датчик)

Измеряемый параметр

(например,

шероховатость

поверхности)

Аналоговый электри-

ческий сигнал

Питание параметрических датчиков

Электронный

усилитель

220 В 50 Гц

+15В

Усиленный и нормированный электрический сигнал



Аналого-цифровой преобразователь

-15В

Цифровой сигнал

+5В

Регистр

(входной порт)



Внутренняя шина данных

Микропроцессорная система обработки информации

Выходной порт (обработанная информация)

Рис. 1 Типовая структурная схема

Типы датчиков

Датчики или первичные преобразователи могут быть дискретными и непрерывного действия. Простейшим дискретным датчиком является концевой выключатель, который может быть в двух состояниях «включен» и «выключен». Датчик непрерывного действия преобразует исследуемую величину в непрерывный электрический сигнал, форма которого повторяет форму изменения исследуемой величины.

В зависимости от физической сущности исследуемой величины датчики могут регистрировать такие параметры как: механическое перемещение, скорость, ускорение, температуру, давление рабочей среды, скорость потока рабочей среды или его объем, а также состав исследуемого вещества. Они соответственно называются датчиками механического перемещения, скорости, ускорения и т.д.

По принципу преобразования исследуемого параметра в электрический сигнал они бывают параметрические и генераторные. Параметрические датчики используют электрическую энергию блока питания, а генераторные непосредственно преобразуют энергию исследуемого процесса в электрический сигнал. Генераторными, например, являются пьезоэлектрические датчики, фотодиоды и термопары.

Потенциометрический датчик

Потенциометрический датчик - является простейшим параметрическим датчиком. Его для краткости называют потенциометром. В его основе лежит переменный резистор, включенный по схеме делителя напряжения, которая показана на рис. 2.

+15В

Механический привод движка переменного резистора



220 В 50 Гц

Выходное напряжение, пропорциональное смещению движка переменного резистора



Рис. 2 Схема потенциометрического датчика

Потенциометрические датчики очень дешевые. Они очень часто применялись в ранних электронных системах сбора информации. Их главное преимущество перед другими типами датчиков состоит в том, что на выходе получается мощный электрический сигнал, который не требует дальнейшего усиления. Однако их главный недостаток заключается в том, что они подвержены механическому износу переменного резистора и поэтому недолговечны.

Тензометрический датчик

Тензометрический датчик или просто тензодатчик относится к параметрическим датчикам. Тензодатчики предназначены для измерения деформаций твердых тел. Поскольку деформация твердого тела однозначно связана с его внутренними механическими напряжениями, возникающими при прикладывании внешних сил, то с помощью них можно контролировать внешние нагрузки.

Основу тензодатчика составляет один или несколько тензорезисторов. Тензорезисторы бывают проволочными, фольговыми и полупроводниковыми. Конструкция проволочного тензорезистора показана на рис. 3. Тензорезисторы наклеивают на те места конструкций, в которых необходимо определить внутренние механические напряжения. Поэтому тензодатчики в первую очередь применяют при испытаниях различных конструкций на прочность. Они дешевые и их можно наклеивать в самых разнообразных точках конструкций.

Подложка

Выводы тензорезистора

L - База тензорезистора

Рис. 3 Проволочный тензорезистор.

Проволочный тензорезистор обладает электрическим сопротивлением R = l / s, где  - удельное сопротивление материала проводника, l - суммарная длина проводника, s - площадь поперечного сопротивления проводника. Будучи наклеенным на поверхность конструкции тензорезистор подвергается аналогичным деформациям, как и сама конструкция. При деформациях растяжения длина проволоки увеличивается, а площадь поперечного сечения уменьшается, что приводит к увеличению его сопротивления на величину  R, пропорциональную нагружению конструкции. При деформациях сжатия – сопротивление тензорезистора уменьшается. Зависимость  R в пределах упругих деформаций конструкции линейна.

_R = R / R₀ - относительное изменение сопротивления тензористора, R₀ - сопротивление тензорезистора в ненагруженном состоянии, R - изменение сопротивления тензорезистора при его деформации, связанной с деформацией конструкции в результате ее нагружения.

Относительное удлинение материала конструкции, в том месте, где наклеен тензорезистор _L =  L / L, где -  L изменение длины материала конструкции, L – база тензорезистора. Две величины _R и _L связаны между собой коэффициентом тезочувствительности K_Т:

K_Т =_R /_L =(R / R₀) / ( L / L) ( 1 )

Для проволочных тензорезисторов из константана K_Т = 2,0 – 2,1; из нихрома K_Т = 2,1 – 2,3; из хромеля K_Т = 2,5. Эта величина обязательно указывается в паспорте тензорезистора. Для полупроводниковых тензорезисторов K_Т доходит до 200. В паспорте коэффициент тезочувствительности иногда обозначается букой - S.

Приведем некоторые паспортные данные для фольгового тензорезистора марки 2ФКРВ-10-100ГВ с расшифровкой обозначений:

2 – основа,

Ф – фольговый,

К – материал константан

База тензорезистора L = 10 мм,

Номинальное сопротивление R₀ = 100 Ом,

В паспорте тензорезистора обязательно указывается максимально допустимая деформация _L не более  0,003, а также обязательно указывается максимально допустимый ток I_max = 54 мА.

Для другого фольгового тензорезистора марки 2ФКПА-5-200ГВ с базой 5 мм и номинальным сопротивлением 200 Ом максимально допустимый ток составляет I_max = 19,5 мА

Поскольку удельное сопротивление проволоки зависит от температуры, то при использовании тензорезисторов необходима термокомпенсация. Это является недостатком тензодатчиков. Наиболее просто термокомпенсация осуществляется путем соединения четырех тензорезисторов в мостовую схему, показанную на рис. 4.

В мостовой схеме 4 тензорезистора образуют два делителя напряжения: R1- R2 и R3 -R4. Диагональ CD называется внешней диагональю питания, на нее подается напряжение от блока питания. Диагональ AB называется внутренней или сигнальной, с нее снимается измеряемое напряжение.

R1

R3

R4

R2

Внешняя нагрузка F

x



R1 и R4

U_п

Прогиб 



220 В 50 Гц

R3 и R2

B

A

C

D

l - длина

Консольная балка

 К усилителю - U_н 









Рис. 4 Мостовая схема из 4-х тензорезисторов.

Мост считается сбалансированным, если выполняется условие: R1/R2 = R3/R4. Для наклейки используются тензорезисторы из одной партии. Их сопротивления идентичны. Небольшие отклонения сопротивлений могут приводить к разбалансу моста, поэтому в усилителях постоянного тока, на которые подается сигнал с внутренней диагонали AB , предусматривается «регулировка нуля». Если в усилителях постоянного тока «регулировки нуля» оказывается недостаточно, для того чтобы получить выходной сигнал, равный нулю при отсутствии внешней нагрузки F , то применяют «полумост». В полумостовой схеме тензорезисторами являются только резисторы R1 и R2, а резисторы R3 и R4 обычные. При этом хотя бы один из них – переменный и используется для установки нуля.

Все 4 тензорезистора наклеиваются как можно ближе друг к другу и к той точке конструкции, где необходимо определить деформацию. При исследовании деформаций изгиба два тензорезистора наклеиваются на стороне деформации растяжения, а другие два тензорезистора наклеиваются на стороне деформации сжатия точно друг против друга. Для того чтобы при деформации конструкции, наступил разбаланс моста необходимо, чтобы напряжение в точках внутренней диагонали моста AB изменялось пропорционально изгибу балки. Поэтому резисторы R1 и R4 наклеивают на стороне растяжения, а резисторы R2 и R3 наклеивают на стороне сжатия.