124996 (593050), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

(3.1)

де - інтервал дискретності;

другий тип - це дискретний диференціатор з осередненням. У цьому диференціаторі віднімаються через однакові інтервали часу попередньо проінтегровані на цих інтервалах значення вхідного сигналу. Сигнал на виході диференціатора другого типу:

, (3.2)

цифровий диференціатор третього типу - це диференціатор з усередненням на частині інтервалу. У ньому віднімаються через однакові інтервали часу попередньо проінтегровані на частині цих інтервалів значення вхідного сигналу. Вихідний сигнал описується виразом

, (3.3)

Імпульсні характеристики диференціаторів першого, другого та третього типів описуються відповідно виразами

, (3.4)

, (3.5)

, (3.6)

де - дельта-функція Дирака,

Провівши пряме перетворення Фур’є від імпульсних характеристик та відокремивши дійсну та мниму частини отримуємо частотні та фазові характеристики диференціаторів. Для диференціатора першого типу:

, (3.7)

. (3.8)

Для диференціаторів другого типу:

, (3.9)

. (3.10)

Для диференціаторів третього типу

, (3.11)

. (3.12)

Вибір одного з цих трьох видів залежить від конкретного випадку, але кожен з них обумовлює необхідність використання аналого-цифрового перетворювача.

Розробляємий пристрій призначений для високоточного вимірювання та контролю кутової швидкості та інших параметрів руху ЕМПЕ у динамічному режимі. Тобто він повинен працювати як в режимі реального часу так і обчислювати залежності кутової швидкості, кутового прискорення, кута повороту валу від часу. Це обумовлює необхідність реалізації пристрою на основі персональної ЕОМ.

Таким чином, пристрій буде складатись з двох структурних блоків:

- тахометричного перетворювача;

- блоку спряження тахометричного перетворювача з ПЕОМ.

Для узгодження роботи аналого-цифрового перетворювача та мікропроцесора ПЕОМ необхідно використати порт уведення-виведення та схему його ініціалізації.

Для запуску аналого-цифрового перетворювача використовується генератор з кварцевою стабілізацією частоти. При відомому періоді частоти цього генератору можливе вимірювання залежностей параметрів руху від часу, не проводячи сумісних вимірювань часу.

Данні та керуючі сигнали порту уведення-виведення передаються на системну шину та ОЗУ ПЕОМ. Після проведення вимірювань здійснюється контроль середнього значення кутової швидкості.

Структурну схему розробляємого пристрою наведено на рис. 3.1 та у графічній частині дипломного проекту.

Рисунок 3.1 – Схема електрична структурна пристрою контролю середнього значення кутової швидкості

4. Розробка принципової схеми комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом

4.1 Аналіз лінійного фотоприймача

Фотоелектричні перетворювачі площа-напруга (ППН) використовуються у багатьох пристроях, таких як перетворювачі інтенсивності світлового потоку, первинні тахометричні перетворювачі та інші. Розглянемо ППН на основі пари фотодіод-операційний підсилювач (Рисунок 4.1). У цій схемі фотодіод VD діє як генератор струму, а операційний підсилювач DA перетворює цей струм у напругу. Залежність струму, що протікає через фотодіод, від потоку опромінення, описується виразом:

Рисунок 4.1 - Фотоприймач на основі пари фотодіод - операційний підсилювач (а) та його еквівалентна схема (б)

(4.1)

де I_VD - струм фото діоду;

S_I0 - інтегральна струмова чутливість фотодіоду при немодульованому опроміненні;

- потік опромінення;

I_S - темновий струм фото діоду;

U - падіння напруги на фотодіоді;

Т - абсолютна температура;

k - постійна Больцмана;

е - заряд електрона;

- циклічна частота потоку опромінення;

- постійна часу фотодіоду, яка залежить від значень внутрішнього опору фотодіоду R_VD, паразитної ємності фотодіоду С_VD, часом розсосування неосновних носіїв заряду.

При використанні джерела світла з конденсорною лінзою, можна отримати плоско-паралельний потік опромінення, однаковий на всій площині, що освітлюється. У цьому випадку потік опромінення та площа фоточутливого шару фотодіоду, що опромінюється, зв’язані співвідношенням:

, (4.2)

де J - інтенсивність променевого потоку;

r - відстань від джерела світла до поверхні, що освітлюється;

S - площа, що опромінюється;

I - сила світла.

Вихідна напруга ППН, з урахуванням напруги зміщення нуля, різниці вхідних струмів, напруги шуму, описується виразом:

(4.3)

де К - коефіцієнт передачі операційного підсилювача;

R_ВХ - вхідний опір операційного підсилювача;

- напруга зміщення нулю операційного підсилювача;

- різниця вхідних струмів операційного підсилювача;

- напруга шуму на виході фотоприймача.

Модуль вихідної напруги шуму визначається виразом:

, (4.4)

де - спектральна щільність напруги шуму операційного підсилювача;

- спектральна щільність шумового струму операційного підсилювача;

- спектральна щільність шумового струму фотодіоду;

- спектральна щільність шумового струму опору зворотного зв’язку.

Після перетворень, отримуємо вираз, що зв’язує спектральну щільність вихідної напруги фотоприймача з комплексною амплітудою площі фоточутливого шару фотодіоду, що освітлюється

(4.5)

Вираз (4.5) можна спростити. Різниця вхідних струмів для сучасних операційних підсилювачів складає одиниці нА, а напруга зміщення - одиниці мВ. При умовах та , значеннями та можна знехтувати. При використанні елементної бази з низьким рівнем шумів, шумовою складовою виразу (4.5) можна знехтувати. Внаслідок малого значення падіння напруги на фотодіоді при його роботі у фотовольтаічному режимі та малого значення темнового струму, друга складова чисельника виразу (4.5) близька до нуля.

Вираз (4.5) описує математичну модель ППН, що дозволяє проводити його моделювання з урахуванням частотних та шумових властивості елементної бази, на основі якої побудовано перетворювач. Наведена модель є лінійною, тобто вона не враховує нелінійність фотодіоду. Це справедливо при умові, що фотодіод при роботі не наближується до стану насичення, де його нелінійні властивості особливо проявляються.

В більшості випадків гранична частота фотодіоду значно менша за граничну частоту операційного підсилювача. Тому спад частотної характеристики в області верхніх частот визначається частотними властивостями фотодіоду. Це дає змогу знехтувати впливом паразитної ємності в колі зворотного зв’язку та вхідною ємністю операційного підсилювача. Вхідний опір сучасних операційних підсилювачів складає десятки МОм, що значно перевищує опір в колі зворотного зв’язку та внутрішній опір фотодіоду. Тому можна прийняти . При умові, що частота опромінення значно менша за граничну частоту фотодіода, його частотними властивостями можна знехтувати, вираз (4.5) прийме вигляд:

(4.6)

Вираз (4.6) є максимально спрощеною математичною моделлю фотоприймача на основі пари фотодіод-операційний підсилювач як перетворювача площі в напругу, яку можна використовувати при умові того, що ширина спектру опромінення значно менша граничної частоти фотодіоду.

4.1.1 Розробка первинного вимірювального перетворювача

Первинний вимірювальний перетворювач крутильних коливань (ПВПКК) включає в себе вал 1 (рисунок 4.2), на який насаджено модулятор 2.

Рисунок 4.2 - Первинний вимірювальний перетворювач крутильних коливань

Модулятор має вигляд диску, з чередуючимися прозорими та непрозорими елементами рівної кутової ширини. За модулятором, зі сторони вала, розташована діафрагма 3, за якою встановлено два фотодіода 4, які входять до складу фотоприймачів на основі пари фото діод - операційний підсилювач. Елементи фотоприймачів та інші електронні елементи ПВПКК розташовані на платі 5. Джерело світла 6 з конденсорною лінзою освітлює фоточутливий шар фотодіодів через перехрестя модулятора та діафрагми (його на рисунку 4.2. наведено штриховою лінією). Діафрагма має вигляд пластини з двома отворами 7, зсунутими між собою на кут, рівний 1,5 кутової ширини елементів модулятора, відносно його центру, конфігурація яких визначається радіусами модулятора та концентричними колами, радіусами R₁ та R₂, центр яких співпадає з центром модулятора. Кутова ширина отворів діафрагми дорівнює кутовій ширині прозорих елементів модулятора. При обертанні валу, обертається і модулятор, внаслідок чого прозорі та непрозорі елементи модулятора перекривають отвори діафрагми. При вище вказаній формі отворів діафрагми, площа заштрихованого отвору, через яке світло при обертанні попадає на фоточутливий шар фотодіоду фотоприймача (домовимось називати цей фотоприймач першим, а той, що зсунутий відносно нього на 1,5 - другим), лінійно залежить від кута повороту валу та визначається виразом

, (4.7)

де - поточний кут повороту заднього в напрямку обертання краю прозорого елементу модулятора, який умовно прийнято за перший, відносно переднього в напрямку обертання краю першого отвору діафрагми (рад),

R₁, R₂ - відповідно більший та менший радіус кола, що обмежує отвір діафрагми. Вихідна напруга фотоприймача, як слідує з виразу (4.6), прямопропорційна площі отвору, через який світло попадає на фоточутливий шар фотодіоду. Після перетворень отримуємо вираз, який зв’язує вихідну напругу першого фотоприймача з кутом повороту :

(4.8)

При використанні одного фотоприймача, виникають похибки, які обумовлені наступним причинами. По-перше, це похибка первинного перетворення, що виникає внаслідок частотних властивостей фотоприймача. Обмеженість смуги пропускання приводить до згладжування сигналу біля його максимумів та мінімумів (рисунок 4.3, в).

Окрім того, при малих площах отвору, через який світло попадає на

фоточутливий шар фотодіодів, похибка виготовлення отвору діафрагми та елементів модулятора обумовлює виникнення додаткової площі отвору, величина якої мало відрізняється від корисної площі, що значно впливає на точність перетворення кутової швидкості в інформативний параметр сигналу (рисунок 4.3, а). При більших площах отвору, через який світловий потік попадає на фоточутливий шар фотодіодів, вище описане явище проявляється значно менше (рисунок 4.3, б), тобто:

, (4.9)

Характеристики

Список файлов ВКР