Антиплагиат (1231167), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Этот ток для полупроводниковых тензоэлементов, как правило, не должен превышать 3+5 мА. В связи сэтим возрастает привлекательность датчиков с большими значениями сопротивления тензоэлементов. Характерныезначения сопротивлений проволочных тензодатчиков невелики (100+200 Ом). Полупроводниковые имеют большиезначения. Например, для датчика МИДА-ПИ-55 это сопротивление лежит в пределах 4+5 кОм, а датчики на основемоносульфида самария могут иметь сопротивление до 50 кОм.[1]Коэ ффиц иент тензочувствительности определяется отношением=R/Rl/l0, (4.3)где R -приращение сопротивления при удлинении проводника от начального значения l0 на l.Так как сопротивление тензомоста изменяется, применение нестабилизированного источника тока недопустимо.
Чембольше у, тем выше требования к источнику постоянного тока. На практике применяются схемы со стабильным током инапряжением. Для этих схем можно установить зависимостьот R. На рисунке 4.4 показаны схемы с питанием отисточника постоянного напряжения и источника постоянного тока. Датчик представлен мостом с четырьмя переменнымисопротивлениями одного номинала, что соответствует рассмотренным выше конструкциям датчиков с круглой мембраной.При этом для работоспособности преобразователя либо деформация в соседних плечах моста должна иметь разный знаклибо, в случае применения полупроводниковых элементов, они должны иметь разную проводимость.
В любом случаеувеличение давления на мембрану приводит к увеличению сопротивления одной пары элементов и уменьшению - другой.Для случая питания от источника стабилизированного напряжения справедливо равенствоUвых=UпитRR, (4.4)http://dvgups.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.22454939&repNumb=113/2601.01.2003Антиплагиата для источника стабилизированного тока –Uвых=IпитR.
(4.5)К питанию моста стабильным током прибегают, обычно, в случаи значительного удаления моста от приемника сигнала,так как падение напряжения на проводах кабеля не повлияет на точность преобразования. Если расстояние от моста доусилителя не превышает двух метро, удобнее и проще использовать схему со стабильным напряжением.Рисунок 4.4. − Мостовые измерительные схемы с питанием от источника: а - постоянного напряжения; б - постоянноготокаПоскольку на каждом из выводов моста при его дисбалансе будет присутствовать потенциал относительно земли,очевидным становится применение операционных усилителей (ОУ), включенных по дифференциалы ной схеме. Наряду сположительным влиянием R на характеристики датчика, увеличение сопротивления моста приводит к определеннымтрудностям при ОУ.
Простейшие схемы дифференциальных усилителей имеют низкое входное сопротивление. Поэтомувыходное сопротивление источника сигнала влияет на величину дифференциального коэффициента усиления и накоэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС), что почти всегда требует точной настройки параметров схемы. Дляприема и усиления сигналов источников с большим входным сопротивлением, каким является мостовая схема, требуетсяподбирать усилитель с более высоким входным сопротивлением. Этому условию отвечает неинвертирующее включениеОУ.
Наиболее распространенной схемой дифференциального усилителя является вариант, при котором между источникомсигнала (диагональ моста) и каждым из входов включается неинвертирующий усилитель. Примером такого решения (рисунок 4.5) может служить схема специализированного усилителя напряжения LP-04, выпускаемого серийно компанией«Л-КАРД». Применение недорогой интегральной микросхемы ОР282 (сдвоенный высокоскоростной ОУ) позволили получитьудовлетворительные характеристики усилителя с полосой пропускания 4 МГц и приведенным (к входу) значением шума 10мкВ.Рисунок 4.5 − Схема усилителя для тензодатчика LP-04Повторители (U2-1 и U2-2) в этой схеме выполняют задачу буферов, благодаря чему входное сопротивление усилителяповышается, а влияние выходного сопротивления источника сигнала на дифференциальный коэффициент усиления икоэффициент ослабления синфазного сигнала практически устраняется.
Для расчета дифференциального коэффициентаусиления при R2= R, можно использовать зависимость[1]Кд=1+2R1Rp. (4.6)При значении Rр= 160Ом (как в штатной схеме LP-04) значение Кд составит 64.Усилитель LP-04 выполнен совместно синтегральным стабилизатором напряжения. Выпускаются модификации снапряжением питания моста +5В.и +2.5В.
Выходной сигнал усилителя, как и питание, является двухполярным. Для приведения выходного сигнала коднополярному уровню относительно земли выходы U+ и U- LP-04 целесообразно соединить дифференциальной схемой стретьим усилителем. Такая схема усилителя на трех ОУ ( рисунок 4.6) считается стандартной измерительной схемой.Дифференциальный коэффициент усиления для этой схемы рассчитывается по уравнению (5), а коэффициент усилениясинфазного сигнала:из-за разбаланса резисторовКсф1=R6R3-R4R5R3(R5+R6); (4.7)из-за конечного значения КОСС третьего усилителя (U3)Ксф2=1КОСС-U3. (4.8)Рисунок 4.6 −Схема измерительного усилителя на трех ОУОбщий КОСС всей схемыКОСС=КдКсф1+Ксф2. (4.9)Заслуживает внимания схема измерительного усилителя на двух ОУ.
Корпорация BURR-BROWN с 1999 г. выпускаетинтегральную микросхему INA155. При умеренной цене этот измерительный усилитель обладает рядом достоинств, аименно: возможность однополярного питания; минимум дополнительных элементов; регулируемый коэффициент усиленияот 10 до 50; Косс=92 дБ. Полоса пропускания усилителя уступает рассмотренному выше усилителю и составляет 550кГц,но удовлетворяет условиям работы датчика на дизеле. Вариант включения INA155 в однополярном питании для усилениясигнала с мостового датчика показан на рис.4.7.
Выводы микросхемы 1 и 8 ( RG) предназначены для регулированиякоэффициентаусиления.При короткозамкнутых выводах значениекоэффициентаусилениясоставляет50,приразомкнутых – 10 [9].Можно задать любое значение коэффициента усиления (в пределах от 10 до 50) если к выводам присоединить резисторRG. При этом коэффициент усиления рассчитывается по формулеK=10+400кОм10кОм+ RG. (4.10)Рис. 4.6 − Применение интегральной схемы INA55 в мостовой измерительной схемеДля достижения наилучших показателей схемы не следует использовать резистор RG, так как погрешность усиления итемпературный дрейф имеют параболическую зависимость от коэффициента усиления, причем ветви этой параболы имеютнулевое значение при К=10 и К=50.Вывод 5 (Ref) предназначен для регулирования смещения выходного сигнала. В простейшем случае он может бытьсоединен с землей.
Выходное напряжениеUвых на выводе 6 в зависимости от разбаланса моста может приниматьзначение от 0,01В до 4,99 В [9].4.2[1]Разработка тензорезисорного датчикаНа основании описанных ранее в разделах данного дипломного проекта систем мож но объективно сформировать требования навновь разрабатываемую систему выравнивания осевой нагрузки локомотивов. Однако сначала следует рассмотреть спец ификуработы предполагаемой системы.Если рассматривать начальные принц ипы работы устройства, известно, что при воздействии колеса локомотива на рельс, в шейкеhttp://dvgups.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.22454939&repNumb=114/2601.01.2003Антиплагиатрельса возникают деформирующ ие напряж ения, пропорц иональные прилож енной нагрузке отколеса.
Эти напряж ения необходимо зафиксировать, преобразовать в э лектрический сигнал и передать на ПК для обработкиспец иальным программным обеспечением.Взаимодействие колеса с рельсом представлено на рисунке 4.1. Как видно, нас интересуют только вертикальные силывзаимодействия, которые формируют основную часть сил сц епления колеса с рельсом в момент трогания и, следовательно,позволяют реализовать определенную часть силы.Для регистрац ии таких вертикальных сил предусмотрен тензорезисторный датчик. Схематично датчик представлен на рисунке.Рисунок 4.7 − Схема силоизмерительного датчикаКонструктивно датчик оформлен в виде двух сквозных отверстий в шейке рельса на определенном расстоянии друг от друга.
Нашейке меж ду отверстиями спец иальным образом наклеены четыре тензорезистора, э лектрически соединенные по полноймостовой схеме с зеркальным располож ением рабочих и балластных резисторов.Такая конструкц ия датчика позволяет минимизировать влияние посторонних усилий и снизить погрешность измерения за счетселективности. Так ж е несомненным достоинством э того датчика является возмож ность монтировать его непосредственно в рельсбез разборки рельсошпальной решетки.Основание для датчика не требуется. Селективность датчика состоит в том, что он не регистрирует никаких сил до тех пор, покаколесо не войдет в зону, располож енную прямо над шейкой датчика.
Длина чувствительной зоны составляет порядка 15 мм по обестороны от оси датчикаРисунок 4.8 – Схема включения тензорезисторовПройдя предварительную математическую обработку в измерительном усилителе, сигнал поступает на вход аналогово-ц ифровогопреобразователя,при помощ и, которого сигнал из аналоговой формы преобразуется в э квивалентный ц ифровой код, пригодный для обработки вЭВМ.Из э того следует, что быстродействие аналогово-ц ифрового преобразователя долж но быть, как минимум, на два порядка вышепериода измерения.
Современные монокристальные аналогово-ц ифровые преобразователи последовательного приближ енияпозволяют измерить входное напряж ение с частотой дискретизац ии около 30000 Гц , что вполне достаточно для оц ифровкизвуковых сигналов, но, увы, недостаточно для прец изионных измерений быстро меняющ ихся сигналов.Это связано с явлением конечной дискретизац ии измеряемого сигнала. Таккак замеры производятся через определенные дискретные промеж утки времени, то невозмож но совершенно точно угадать, когдасигнал достигнет своего максимума, а следовательно появляется неуправляемая погрешность измерения.Так ж е следует учесть, что стоимость преобразователей такого типа достаточно значительна как и затраты вычислительныхмощ ностей управляющ ей ЭВМ на обработку того множ ества значений, которое успевает послать преобразователь на обработку вЭВМ. Учитывая все э ти аргументы, следует рассмотреть альтернативные способы ц ифровых измерений.При измерении нагрузки в движ ении следует так ж е учитывать динамические составляющ ие погрешности, возникающ ие из-занеровностей колеса и рельса, влияния автосц епки, вибрац ий рессорного подвешивания и многих других факторов, которыеневозмож но учесть расчетными методами.
Динамические погрешности мож но скомпенсировать, произведя определенноеколичество опытных измерений и получив э мпирические зависимости влияния скорости движ ения подвиж ного состава ипогрешности измерения.Измерения на повышенных скоростях движ ения полезны в основном для определения перегруза подвиж ного состава. Это в первуюочередь связано с безопасностью движ ения. При измерении перегруза важ но не точное измерение, а регистрац ия превышенияпредельной загрузки оси вагона. Здесь погрешность измерения мож ет составлять до 5% и давать приемлемую точностьизмерений, хотя при коммерческом либо точном измерении нагрузки (веса). От оси колесной пары на рельс ц елесообразноуменьшать скорость движ ения по весовой установке до 10-15 км/ч.
При э том так ж е потребуется применение корректирующ ихдинамических коэ ффиц иентов напрямую зависящ их от скорости движ ения.Определение весовой установкой скорости движ ения подвиж ного состава по ней является обязательным условием. Это в конечномитоге не составляет больших трудностей при использовании программно-технологического комплекса на базе ЭВМ.Принц ип измерения скорости движ ения основан на измерении продолж ительности пауз меж ду пиками сигналов датчиков.Если принять максимальную скорость движ ения колеса по рельсу во времяизмерения нагрузки Uизм=15 км/ч и максимальное напряж ение на выходе измерительного усилителя Uвых.мах=12 В, то мож нопредварительно рассчитать скорость нарастания выходного напряж ения измерительного усилителя, а так ж е время следованияполезного сигнала, которое соответствует периоду измерения для аналогово-ц ифрового преобразователя.Время прохож дения колесом по зоне 15 мм определим по формуле:tизм=LизмVизм,с (4.11)где Lизм=0,015 м – длина полезного участка измерения;Vизм=15 км/ч – скорость измерения.tизм=0,015∙3,615=0,0036с (4.12)При расчете учитывается только полезная характеристика сигнала, то есть от начала роста сигнала до максимума напряж ениядатчика.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
