Виброизмерительный датчик

Наименование и область применения

Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров вибраций, ударов и шумов. Сегодня нельзя назвать практически ни одного объекта контроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействие вибрационных, ударных или акустических нагрузок. Исследования колебательных процессов представляют большой интерес для всех отраслей народного хозяйства – металлургии, энергетического машиностроения, ракетной техники и так далее. Разрабатываются способы борьбы с вредным воздействием вибраций, ударов и шумов в технике и природе. Интенсивно изучаются землетрясения, представляющие собой эпизодические колебания, вызванные освобождением потенциальной энергии упругих деформаций земной коры, происходящих в момент её разрывов в местах концентрации напряжений. Тщательно контролируются вращающиеся или перемещающиеся в различных направлениях с большой скоростью узлы и механизмы крупных сооружений и агрегатов, такие как: электрогенераторы тепла и гидростанции, гребные винты кораблей, авиационные и ракетные двигатели и тому подобное, являющиеся источником возникновения интенсивных периодических и непериодических вибрационных процессов. Особую опасность представляют известные умножения колебаний, возникающие на резонансных частотах упругих конструкций. Возникающие при вибрациях и ударах инерционные силы могут вызвать напряжения, превышающие предел прочности конструкции, или относительные перемещения деталей в недопустимых пределах. Из-за вибраций значительно снижается срок службы оборудования, ухудшается качество его работы.

Вредное воздействие на человека оказывает и шум, представляющий собой акустические колебания в воздушной среде.

Вибрационные процессы могут служить источником информации для диагностики машин и механизмов как средство раннего обнаружения их неисправности. Общеизвестны акустические приборы, определяющие дефекты, размеры и физико-математические свойства материалов и изделий без их разрушения.

Технические характеристики:

Количество контролируемых точек 8

Частотный диапазон, Гц 0 – 500

Диапазон преобразуемых перемещений, мм 0 – 2.0

Основная систематическая погрешность 1%

Структурная схема устройства.

На рисунке 1 изображена структурная схема электронного виброизмерительного прибора.

1.1-1.8 - виброизмерительные датчики

2.2-2.8 - усилители напряжений

3 - коммутатор

4 - аналого-цифровой преобразователь

5 – микропроцессорная система

6 – устройство индикации

7 – блок питающих напряжений

Расчёт параметров блоков структурной схемы.

Виброизмерительный датчик.

В качестве виброизмерительного датчика выберем тензорезистивный преобразователь СЕТТ1

Технические характеристики преобразователя:

Диапазон выходных перемещений, мм 0…2

Диапазон входных напряжений, мВ 0…6

Рабочий диапазон частот, Гц 0–500

Погрешность преобразования, не более 0.2%

Температурный уход нулевого сигнала

в рабочем диапазоне ±0.3% / 10°С

Напряжение питания, В 15

Рабочий диапазон температур, °С -40…..+60

Относительная влажность окружающего

воздуха при 25°С до 98

Габаритные размеры, мм 65x44x33

Масса, кг 0.33

Срок службы (часов), не менее 5000

Чувствительным элементом виброизмерительного датчика являются тензорезисторы. Действие тензорезистивных измерительных преобразователей основано на использовании тензоэффекта, который заключается в том, что под действием приложенной растягивающей или сжимающей силы проводниковые материалы изменяют удельную электрическую проводимость.

В ненагруженном состоянии сопротивление R проводника, имеющего длину ℓ, определяется его сечением q и удельным сопротивлением

При растяжении проводника его длина становится равной (ℓ+∆ℓ), а сечение q(1-2μ∙∆ℓ / ℓ), где μ=0.3 –коэффициент Пуассона, тогда

Тензоэффект характеризуется тензочувствительностью материала.

Где R, ℓ - длина и сопротивление материала

∆R, ∆ℓ - приращение длины и сопротивления материала вследствие приложения внешних сил.

Выберем тензорезистор проволочный в виде плоской беспетлевой решётки, выполненный из тонкой проволоки диаметром 10мкм из константана на бумажной основе, типа ПКБ-10-200

Технические характеристики тензорезистора:

Номинальное сопротивление 200Ом

Рабочий диапазон температур -50 до +50 ˚С

Активная база, мм 10

Габаритные размеры, мм 25x4.5

Коэффициент тензочувствительности 2,0±0.2

Номинальный рабочий ток, мА 30

Предел измерения относительных деформаций 0.0003

Поперечная чувствительность от продольной 2%

Электрическая схема виброизмерительного преобразователя с тензорезисторами.

Условия равновесия моста:

1) 2)

Коэффициент тензочувствительности:

, где -коэффициент тензочувствительности.

Для константана ;

-длина активной базы;

Для ПКБ-10-200 мм

R – сопротивление тензорезистора

R=200 Ом

Допустим мм

, мм	0	0.3	0.6	0.9	1.2	1.5	1.8	2.0
, Ом	0	12	24	36	48	60	72	80

Пусть

, тогда по условию равновесия:

, мм	0	0.3	0.6	0.9	1.2	1.5	1.8	2.0
, мВ	0	0.9	1.8	2.7	3.6	4.5	5.4	6

Усилитель напряжения.

Выходное напряжение с виброизмерительного датчика необходимо усилить. Для этого используем микросхему операционного усилителя К140УД15.

Технические характеристики усилителя:

, В +15

, В -15

, мА, не более 12

???

, мА, не более 9

, мВ, не более ±7.5

, мкА, не более ±1.7

, дБ, не более 60

, В 5

, кОм, не менее 4

, кОм, не менее 700

Коммутатор

Коммутатор предназначен для подключения одного из вибродатчиков на вход аналого-цифрового преобразователя. Управление коммутатором осуществляется микропроцессорной системой, которая передаёт на него код с номером коммутируемого канала.

Выберем микросхему КР590КН1, которая представляет собой 8-канальный коммутатор с дешифратором на МОП-транзисторах для коммутации напряжений от –5 до +5 В.

Корпус прямоугольный пластмассовый.

238.16.2

Микросхема КР590КН1 имеет следующие параметры:

, В +15

, В -15

Коммутируемое напряжение, В -5…+5

Коммутируемый ток, мА, не более 10

8 каналов

Помехозащищённость, В 0.4

Погрешность, % 0.1

Аналого-цифровой преобразователь.

Для реализации аналого-цифрового преобразования выходного сигнала коммутатора выбрана микросхема К1113ПВ1А, которая представляет собой функционально законченный 10-разрядный преобразователь, сопрягаемый с микропроцессором. Микросхема обеспечивает преобразование как однополярного (униполярного) напряжения в диапазоне 0…9.95 В, так и биполярного напряжения в диапазоне

-4.9…+4.9 В в параллельный двоичный код.

В состав ИС входят ЦАП, компаратор напряжения, регистр последовательного приближения (РПП), источник опорного напряжения (ИОН), генератор тактовых импульсов (ГТИ), выходной буферный регистр с тремя состояниями, схемы управления.

Выходные каскады с тремя состояниями позволяют считывать результат преобразования непосредственно на шину данных микропроцессора, по уровням входных и выходных логических сигналов сопрягаются с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ) схемами. В измерительных системах выходной ток цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) сравнивается с током входного резистора от источника питания (ИП) и формируется логический сигнал регистра последовательного приближения (РПП). Стабилизация разрядных токов цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) осуществляется встроенным источником опорного напряжения (ИОН). Тактирование регистра последовательного приближения (РПП) обеспечивается импульсами встроенного генератора тактовых импульсов (ГТИ). Установка регистра последовательного приближения (РПП) в исходное состояние и запуск его в режим преобразования производится по внешнему сигналу “гашение и преобразование”. По окончанию преобразования аналого-цифровой преобразователь (АЦП) вырабатывает сигнал “готовность данных ” и информация из регистра последовательного приближения (РПП) поступает на цифровые выходы через каскады с тремя состояниями.

Корпус: металлокерамический типа 23818-1, масса не более 2.5 г.