Разработка датчиков ускорений или параметров вибрации

 

2 Задание к  курсовому проекту

 

 

1) Рассчитать параметры датчика по заданным входным возмущающим воздействиям.

2) Выбрать тип преобразователя перемещения в электрический сигнал.

3) Рассчитать стабилизированный блок питания, работающий от напряжения 220 В. Допустимые отклонения питающего напряжения + 10%, минус 15% от номинального значения.

4) Выходной сигнал датчика должен быть стандартный унифицированный 0 – 5 мА или RS232.

5) Допустимая погрешность не более ± 5%.

6) Диапазон изменения температуры окружающей среды –50° ¸ +60°

Варианты задания представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 - Варианты заданий по теме 1

№	Измеряемая величина	Измеряемый  Диапазон, мм	Диапазон Частот,F Гц	Напряжение питания, В	Максимальная перегрузка	Минимальная чувствительность, мА/мм
14	Вибрационное перемещение	0,15	50¸150	25	3-кратная	35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Расчет схемы датчика  вибрационного перемещения

 

 

Для расчета я выбрала схему  датчика с инерционной массой и демпфером. Такого типа датчики получили наибольшее распространение, так как они не требуют связи с неподвижной опорой.

Перемещение преобразуется в электрический сигнал с помощью любого типа датчика перемещения, например, реостатного.

На рисунке 1 приведена схема  ДУ с инерционной массой. Перемещение  системы вызывает появление инерционных  усилий, пропорциональных ускорению:

 

 

 

Рисунок 16 - Расчетная схема датчика с инерционной массой

 

Обозначим:

x - перемещение корпуса, м;

у- перемещение массы относительно корпуса, м;

С - гибкость пружины, м/н;

R- коэффициент вязкого трения демпфера, Н×сек/м;

М- масса, кг; (1 Η (ньютон) =0,102 кг = 1 кг×м/сек²).

 

Согласно графику, показанному  на рисунке 17, задаемся коэффициентом демпфирования K_d =3,14 и y/x = 1,2.

 Зададимся отношением  , тогда собственная частота будет равна:

 

 

где:  – частота, заданная по условию.

Согласно этим данным и перегрузке рассчитываем значение y:

 

y=1.2*x*3=0.15*10 ^{– 3} *1.2*3=0.54 мм

 

 

Рисунок 17 – Частотные характеристики датчика вибрационных перемещений

 

 

2.2 Расчет параметров инерционной массы

 

Инерционная масса представлена в  виде металлического куба, соединенного с поршнем демпфирующего элемента. Рассчитаем массу исходя из формулы:

 

где:  – плотность металла (используем сталь, );

V – объем инерционной массы (определяется суммой объемов куба, и поршня).

Пусть длина ребра куба а=20 мм, тогда объем V_к=8000мм³ , поршень выполнен в виде стержня, радиусом R₁=3мм, длиной l₁=20мм и круглой пластины, диаметром D₂=8мм, высотой h₂=3мм. тогда суммарный объем поршня будет равен:

 

 

 

где:  –площадь основания стержня;

–длина стержня;

–площадь основания пластины;

l₂–высота пластины.

 

Суммарный объем инерционной массы  . Тогда масса детали будет равна:

 

 

 

2.3 Расчет параметров демпфера

 

Жидкостные и воздушные демпферы применяются в виде цилиндров  с поршнем, либо наполняют жидкостью  всю внутреннюю полость датчика.

Для цилиндра с поршнем коэффициент  вязкого трения определяется из соотношения:

 

где К₀ - постоянный коэффициент, (К₀ » 1);

      μ₀ - вязкость среды в кг×сек/м²;

      l_П - длина поршня, м;

      S_П - площадь поршня в м²;

      S₀ - площадь щели и отверстий в поршне в м².

В качестве демпфирующей жидкости будем использовать глицерин (коэффициент вязкости μ₀=1480 кг×сек/м²), длину поршня (высоту цилиндра демпфера) примем равной h=3мм, радиус пластины поршня R=4мм, тогда площадь:

 

 

Приняв значения S_П = S_П = 50,24·10^-6 м², l_П =2*10^-3 м, рассчитаем площадь щели и отверстий в поршне S₀:

 

 

 

Для осуществления площади  S₀=1,487*10^-6м²  сделаем 4 отверстия R₀=0,34 мм, D₀=0.68 мм

 

2.4 Расчет параметров пружины

 

Для цилиндрической пружины, работающей на сжатие/растяжение жесткость рассчитывается по формуле:

 

где: G – модуль сдвига;

d – диаметр проволоки;

n – количество витков;

R – радиус пружины.

 

Исходя из формулы расчета жесткости  и произвольно задаваясь некоторыми параметрами, рассчитаем жесткость  пружины. Пусть d=1,2мм, радиус пружины R=5 мм, число витков n=3, модуль сдвига для пружинной стали составляет G=78500МПа.

 

Тогда гибкость будет равна:

 

 

Введем постоянные времени:

 

 

2.5 Определение характера поведения  рассчитанного звена

 

Рассчитанное выше звено может  являться либо колебательным либо апериодическим. Определим характер движения звена. Уравнение движения инерционной массы запишется в виде:

 

 

или в операторной форме:

 

 

 

Решив уравнение относительно у, получаем:

 

 

Введя постоянные времени и

 

где: M – инерционная масса;

R – коэффициент вязкого трения демпфера;

C – гибкость пружины

 

будем иметь:

 

или, так как

 

 

то:

 

Найденные постоянные времени необходимо подставить в знаменатель получившегося  уравнения, и решить уравнение следующего вида:

 

 

После подстановки получим:

 

 

Имеем простейшее квадратное уравнение. Находим дискриминант:

 

 

Дискриминант больше нуля (D > 0) => Уравнение имеет 2 вещественных решения, следовательно перед нами апериодическое звено и его движение имеет затухающий характер, что и требовалось получить.

 

2.6 Определение времени затухания  колебаний

 

Коэффициент затухания определяется по формуле:

 

 

где: R - коэффициент сопротивления (в данном случае коэффициент трения демпфера);

m – инерционная масса.

 

Время затухания (успокоения) есть величина обратная коэффициенту затухания, то есть:

Период колебаний системы определяется из формулы:

 

 

где: f – частота колебаний заданная по условию.

 

Время успокоения системы на порядок  меньше периода колебаний, из этого  следует, что после внешнего воздействия система придет в стабильное состояние к моменту следующего колебания, что и требовалось получить.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Выбор преобразователя перемещения

 

 

В качестве преобразователя перемещения  в электрический сигнал был выбран емкостной преобразователь.

Конструктивно преобразователь представляет собой полый металлический цилиндр, внутри которого размещена печатная плата кварцевого автогенератора. На одном торце цилиндра расположена  металлическая пластина, соединенная  винтом с частотозадающей цепью генератора (ножкой кварцевого резонатора).  Эта пластина изолирована от корпуса и является первой обкладкой емкостного преобразователя перемещений.   Второй обкладкой является поверхность контролируемого объекта, соединенная с общей шиной схемы (землей).  Изменение зазора между обкладками преобразуется в девиацию частоты, которая позволяет оценить состояние объекта.

Рисунок 8 – Емкостной датчик линейного перемещения ДЛП-02

 

Технические характеристики датчика  представлены в таблице 4.

 

Таблица 4

Технические характеристики емкостного преобразователя ДЛП-02

Диапазон измерения, мм	0-1мм
Основная погрешность , %	0.25; 0.5
Диапазон рабочих температур, `С	-30 ... +60
Дополнительная температурная  погрешность “0” и шкалы, %/`С	0.05
Минимальная и максимальная длина датчика в рабочем положении, мм	22  28
Полный вес датчика, г	5.8
Вес подвижной части датчика, г	2.5
Напряжение питания, В	±5
Выходной сигнал, В	от 0-±2

Питание датчика вибрационных перемещений  будет осуществляться от внешнего стабилизированного блока питания 25В, выполненного на основе трансформатора типа ТП1. Особенностью данного трансформатора является низкое напряжение вторичных обмоток, что позволяет использовать данную марку для питания полупроводниковых схем. Данный трансформатор работает от сети 220В, 50Гц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Разработка компоновочной схемы устройства

 

Компоновочная схема датчика ускорений  приведена на листе 1 Габаритные размеры  определены в соответствии с размерами  основных составляющих частей устройства. Во избежание провисания пружины и перекоса поршня демпфера, инерционную массу необходимо установить на металлические уголки с прослойкой из капролона графитизированного. Установка преобразователя перемещения и электронного блока производится на крепления, которые припаиваются к основанию корпуса датчика. Крепление цилиндра демпфера также производится при помощи пайки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

 

Известны устройства вибрационного  перемещения, в которых транспортирующий орган связан с источником вибрационных возмущений, направленных перпендикулярно к плоскости транспортирования и направлению транспортирования.

Устройства вибрационного перемещения, в которых транспортирующий орган связан с источником продольных бегущих волн, а также с дополнительным источником колебаний в вертикальном направлении с частотой, отличной от частоты возбуждаемой продольной бегущей волны

В ходе выполнения курсового проекта изучила принцип действия датчиков сейсмического типа, предназначенных для проведения исследований влияния воздействий ускорений и вибрационных нагрузок на элементы радиоэлектронной аппаратуры. Были приобретены навыки по разработке структурных и принципиальных схем приборов, расчетов статических и динамических характеристик, правильного оформления конструкторской документации.

Цель и задачи курсового проекта были полностью  выполнены.

 

Список использованных источников

 

 

1. Юрченко В.В. Методическое пособие по курсовому проектированию по дисциплине «Методы и средства измерений». – Караганда, 2003г.
2. Веселовский О. Н.,Браслмский Л.М. Основы электротехники и электротехнические устройства радиоэлектронной аппаратуры.— М., 2000.
3. Виглеб Г. Датчики: устройство и применение. – М.: Мир, 1989г. - 192с.
4. Боровский В.П. Справочник по схемотехнике для радиолюбителя. Киев: Техника, 1987г. – 425с.
5. Осипович Л.А. Датчики физических величин. – М.: Машиностроение, 1979г. – 159с.
6. Сидоров И.Н. Малогабаритные трансформаторы и дроссели. – М.: Радио и связь, 1985г. – 416с.
7. Алиев И.И. Электротехнический справочник. М.: РадиоСофт, 2002г. – 383с.
8. Руководство по проектированию элементов и систем автоматики под ред. Б.Н.Петрова.
9. Мирский Г. Я., радиоэлектронные измерения, 3 изд., М., 1975.
10. Алейников А.Ф., Цапенко М.П., Гридчин В.А. Датчики. Перспективные направления развития. – Новосибирск: Издательство НГТУ, 2001г. – 176с.
11. Бриндли К. Измерительные преобразователи. – М.: Энергоатомиздат, 1991г. – 143с.