Скачать

Проектирование датчика

Любая автоматизация предполагает управление технологическими процессами на основе сбора, обработки и накопления информации. Поэтому неотъемлемую часть автоматических устройств и автоматизированных систем управления (АСУ) составляют средства измерения. Применение АСУ процессами требует измерять в общей сложности около 2000 физических, химических и других величин. Измерения производят с помощью разнообразных датчиков, выполняющих функцию первичного элемента, который воспринимает информацию от объекта и преобразует ее для передачи в канал связи на вычислитель. Если датчики будут обладать недостаточным быстродействием, большой погрешностью, низкой надежностью, то и вся система вне зависимости от степени совершенства вычислительных устройств будет работать неудовлетворительно. Именно датчики определяют саму возможность и качественный уровень работы автоматических линий. Это - изначальные поставщики информации, их погрешность не может быть скорректирована никакими последующими устройствами.

1. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ.

1.1 Разработать датчик предназначенный для измерения сил, развиваемых энергетическими установками и агрегатами, и выдаче сигнала, пропорционального силе на вход телеметрической системы.

1.2 Пределы измерения сил F_ном должны соответствовать значениям: F_ном=(1,2,5,10,20) 10² Н

Частотный диапазон измерения датчика f=50 Гц

Основная погрешность составляет =0,5%

Измерительная схема датчика силы равноплечий мост с сопротивлением плеча 70010 Ом.

Датчик запитывается от источника постоянного тока напряжением 15В

Величина питающего напряжения в процессе измерения может меняться не более чем на 0,05В.

1.3 Датчик должен работать в окружающей среде - воздух. Температура окружающей среды может меняться в пределах 50⁰С

Относительная влажность окружающей среды до 95% при температуре +35⁰С

Датчик должен быть работоспособен при:

· Вибрации с частотой f_гр=5кГц и амплитудой А=0,5мм

· Воздействие ударов с амплитудой 50g и длительностью до 0,001с

· Воздействие перегрузки должно быть до 20% от предела измерения

· Воздействие боковой перегрузки до 15% от предела измерения.

1.4 Требования к надежности.

Время непрерывной работы датчика должно быть не менее 2 часов.

Технический ресурс датчика должен быть не менее 1000 часов.

Вероятность безотказной работы датчика не менее 0,9

1.5 Возможность хранения датчика в складских условиях не менее 10 лет.

1.6 Датчик должен иметь минимальные габаритные размеры и массу.

1.7 Обеспечение заданного предела измерения должно осуществляться в пределах единого конструктивного оформления датчика с максимально возможной унификацией деталей и размеров.

2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ.

Требования технического задания накладывают определенные ограничения на конструкцию, параметры и методы расчета разрабатываемого датчика. Так требования работоспособности датчика при воздействии вибрации предопределяет либо проектирование датчика с высокой собственной частотой, лежащей за пределами частотного диапазона вибрации, либо введения демпфирования, либо какие-то другие меры, обеспечивающие во-первых, неизменность показаний датчика, а во-вторых его механическую прочность. Это же можно сказать и о линейных перегрузках. При воздействии на датчик температур изменяющихся в достаточно широких пределах (50⁰С), происходит изменение геометрических размеров и упругих свойств механических элементов. В результате изменяется чувствительность датчика к измеряемой величине и появляется погрешность преобразования. Исключить влияние температуры на преобразование можно увеличением чувствительности к измеряемой величине и уменьшением чувствительности к дестабилизирующему фактору, каким является температура, применением дифференциальных преобразователей, либо включением в измерительную цепь специальных термокомпенсирующих элементов. Работа при взаимодействии повышенной влажности предопределяет конструирование датчика с герметичным корпусом, выбор соответствующих материалов и покрытий.

По техническим требованиям основная погрешность изменения датчика не должна превышать 0,5%. Она зависит от ряда факторов, которые влияют на физические свойства и параметры отдельных звеньев цепи преобразования измеряемой величины. К ним относятся вибрации, температура, напряжение питания. Для уменьшения погрешности от напряжения питания следует применять стабилизированные источники питания. Составляющими основной погрешности также являются погрешность от нелинейности и гистерезиса. Эффективными мерами уменьшения этих погрешностей являются применение дифференциальных преобразователей, ограничение рабочего диапазона, правильный выбор материала упругого элемента, материала и конструкции тензорезисторов, технологии их изготовления.

Предел измерения силы F_ном должен соответствовать F_ном=(1,2,5,10,20) 10² Н, что говорит о высокой точности датчика.

3. ОБЗОР МЕТОДОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИЛЫ.

Для измерения силы используют много методов: индуктивный, струнный, тензорезисторный.

У струнных датчиков выходной сигнал - частота. Это выгодно с частотными сигналами. Они обеспечивают высокую точность отсчета и независимость показаний линии связи, но эти датчики не могут быть выполнены на низкие диапазоны измерения, на широкий диапазон вибрационных нагрузок, не могут работать в широком температурном диапазоне. Струнные датчики сложны и дороги в изготовлении.

Индукционные датчики просты, дешевы, технологичны, но обладают низкими точностными свойствами.

Тензорезисторные датчики благодаря своим преимуществам получили широкое применение (до 98% от числа всех датчиков). Они просты, надежны, могут питаться как от постоянного, так и переменного источника питания. Обеспечивают широкий диапазон работы и практически не снижают жесткости конструкции системы. Недостатком этих датчиков является низкая величина выходного сигнала, недостаточно высокая точность преобразования и специфическая технология.

В нашем случае выбираем в качестве метода преобразования силы тензорезисторный метод.

4. ОБЗОР ДАТЧИКОВ СИЛЫ.

Большое распространение для измерения силы получили тензорезисторные датчики, структурная схема которых представляет последовательное соединение трех измерительных преобразователей: