Вывод: преобразователь сигнала не соответствует к предъявленным требованиям, т.к погрешность чувствительности очень большая

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ АКСЕЛЕРОМЕТРА.

 

Выполнил студент I курса группы ПР 200100 (сокр.)

Коваль Александр Дмитриевич.

Булавин Дмитрий Игоревич

 

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.1. Датчик ускорения (акселерометр) представляет собой пъезопластину, жестко закрепленную одной плоскостью на корпусе датчика. Ко второй плоскости пъезопластины припаивают тело значительной массы. При воздействии на датчик вибрации, за счет инерционности массивного тела, в пъезопластине возникают механические напряжения, вызывающие на обкладках пъезопластины пропорциональные электрические заряды. Накапливаясь на емкости датчика и линии связи с преобразователем они создают напряжение, амплитуда и частота которого функционально связаны с величиной и частотой вибраций. Назначение исследуемого преобразователя – преобразование виброускорения, величина которого функционально связана с выходным сигналом датчика, в виброскорость. Входная цепь преобразователя должна быть высокоомной с тем, чтобы не шунтировать емкостную нагрузку датчика.

 

2.2. Технические требования к преобразователю следующие:

- Преобразователь должен обеспечить интегрирование входного сигнала при условии нахождения выходного напряжения в стандартном диапазоне амплитуд (± 5В).

- Амплитуда входного сигнала – от 0 до 400 мВ.

- Частотный диапазон входного сигнала – от 200 до800 Гц.

- Амплитуда выходного сигнала – 0 – 5 В.

- Допустимая приведенная погрешность чувствительности – не более 2%.

2.3. При разработке схемы преобразователя необходимо исходить из аналитического выражения преобразования входного сигнала U _ВХ (t) в выходной U _ВЫХ (t) при использовании в качестве интегратора схемы на основе операционного усилителя:

R – входное сопротивление, С – емкость в цепи обратной связи.

Максимальный коэффициент передачи имеет место при частоте входного сигнала, равной 200 Гц. При косинусоидальном входном сигнале амплитудой U_М на выходе будет сигнал

и коэффициент передачи

Для стабилизации режима операционного усилителя по постоянному току параллельно конденсатору в цепь обратной связи подключают сопротивление номиналом 1,5 – 2,5 МОм.

Интегратор не решает задачи усиления сигнала датчика. Для этого используется дополнительная схема усилителя. Общий коэффициент передачи преобразователя равен произведению коэффициентов передачи каждого каскада.

Рекомендуемая схема преобразователя изображена на рис. 1 (студент вправе использовать любую другую). На схеме не показаны линии питания микросхем.

На операционном усилителе А1 собран высокоомный усилитель с коэффициентом передачи К₁(ω) в общем случае; желательно чтобы коэффициент передачи был постоянным во всем диапазоне рабочих частот. В последнем предположении расчет усилителя сводится к выбору сопротивления R3 (обычно это сопротивление от 100 кОм до 1 МОм) и расчету сопротивления R2 из формулы:

,

где U_ВХ и U_ВЫХ – амплитуды напряжений соответственно на входе и выходе усилителя на микросхеме А1.

R6 1.5 М

Назначение второго операционного усилителя А2 и элементов цепи – интегрирование входного сигнала. Расчет схемы интегратора сводится к выбору сопротивления R4 (обычно 20 - 100 кОм) и емкости С2 из условия, чтобы сопротивление R6 (как указывалось ранее, порядка 1,5 – 2,5 МОм) было много больше (100 – 200 раз) сопротивления конденсатора на самой низкой частоте.

 

 

R4

Рис.1. Принципиальная схема преобразователя

 

Обычно, если допускает значение нижней частоты диапазона, выбирают конденсатор емкостью 0,1 мкФ.

2.4. Последовательность расчета преобразователя следующая.

2.4.1. Задаются сопротивлением R6 (от 1,5 до 2,5 МОм). Из требования малости реактивного сопротивления емкости С2 на нижней частоте диапазона преобразования определяют ее значение:

 

 

где f_Н – нижнее значение частотного диапазона преобразователя (200 Гц).

Выбирают конденсатор с номиналом, превышающем расчетное значение емкости С2. Обычно это конденсатор с емкостью 0,05 – 0,1 мкФ.

2.4.2. Задаются значением сопротивления R4 (20 – 100 кОм) и вычисляют максимальный коэффициент усиления К2 интегратора (на нижней частоте диапазона интегрирования):

 

 

2.4.3. Вычисляют общий максимальный коэффициент усиления преобразователя К как отношение максимальной допустимой амплитуды выходного сигнала (5В) к заданному максимальному значению амплитуды его входного сигнала (см. п. 2.2).

2.4.4. Определяют коэффициент усиления первого каскада К1= К/К2.

2.4.5. Задаются значением сопротивления R3 (100 кОм – 1 МОм) и вычисляют значение сопротивления R2:

 

2.4.6. Конденсатор С1 предотвращает попадание на вход интегратора постоянного напряжения с выхода первого каскада и, тем самым, уменьшает погрешность нуля преобразователя. Чтобы конденсатор С1 существенно не влиял на амплитуду выходного сигнала его номинальное значение должно быть не менее 1 мкФ. Сопротивления R1 и R5 служат для установки на соответствующих входах операционных усилителей потенциала общего провода.

 

2. ПОДГОТОВКА К ПРОВЕДЕНИЮ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

 

3.1. Выбрать принципиальную схему преобразователя, рассчитать его элементы. Операционные усилители использовать типов КР574УД1 или КР140УД8. Цоколевка указанных микросхем одинакова и имеет следующий вид:

 

№ вывода
Назначение	Баланс	Инвертир. вход	Неинвертир. вход	-UПИТ	Баланс	Выход	+UПИТ	Не использ.

 

3.2. Принципиальную схему преобразователя и выполненный расчет представить преподавателю на проверку.

3.3. Изучить порядок применения контрольно - измерительных приборов по их описаниям. Собрать схему для проведения экспериментов по рис. 2. На схеме приборы обозначены: З.Г. – звуковой генератор; V – вольтметр; O – осциллограф. Стрелки у вольтметра и осциллографа на схеме показывают места подключения приборов на входе и выходе преобразователя.

 

 

 

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки

 

3.4. Назначение элементов во входной и выходной цепях:

- R1 является защитным сопротивлением на случай короткого замыкания и его номинал должен быть равен 1,5 – 2,5 кОм; емкость линии связи имитируется емкостью 20 пФ.

- R_Н и С_Н имитируют соответственно сопротивление и емкость нагрузки преобразователя; для рассматриваемого преобразователя R_Н не менее 1 МОм.

 

3. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

 

4.1. Смонтировать схему преобразователя и экспериментальной установки. Представить собранные схемы на проверку преподавателю или лаборанту. С их разрешения включить контрольно – измерительные приборы и прогреть их в течение 15 – 20 минут.

3.2.Подключить питание к макету преобразователя в следующем порядке: сначала подключается нулевой провод и к этой же клемме присоединяется заземляющий провод (для обеспечения общего нулевого потенциала с контрольно – измерительными приборами), а затем подключаются провода питания микросхем (+U_П и –U_П).

3.3.По показаниям осциллографа убедиться, что положительное и отрицательное напряжения величиной порядка 9В поступают на микросхемы макета. В случае отсутствия напряжений на соответствующих шинах макета, проверить их наличие на входных клеммах. Наличие напряжений на входных клеммах означает, что неверно выбрана полярность питающих напряжений. В этом случае необходимо поменять местами провода, подводящие питающие напряжения. В случае отсутствия питающих напряжений на входных клеммах необходимо остановить все работы и обратиться к преподавателю или лаборанту.

3.4.Определение статической функции преобразования

3.4.1. На звуковом генераторе установить частоту 250 Гц, вольтметр и осциллограф подключить к входу преобразователя. Установить на ЗГ амплитуду 20 мВ. Проконтролировать наличие и форму сигнала по осциллографу. Если напряжение измеряется по вольтметру, то учесть, что вольтметр показывает действительное значение напряжения, которое в 1,41 раза меньше амплитудного. Переключить вольтметр на выход схемы и измерить величину выходного напряжения. Операции измерения напряжений могут выполняться и по осциллографу, но с меньшей точностью.

3.4.2. Повторить операции п. 4.4.1 для амплитуд входного сигнала 40; 60; 100; 200; 300; 400 мВ. Данные занести в табл.1.

Таблица 1

 

UВХОДА, мВ
UВЫХОДА, мВ

 

4.4.3. При выполнении операций п.п. 4.4.1и 4.4.2 обратить внимания на следующие моменты:

Во – первых, убедиться по показаниям осциллографа, подключенного к выходу преобразователя, в отсутствии паразитных колебаний и помех (признак их наличия – перемещение или размытость луча осциллографа).

Во – вторых, качественно оценить работу преобразователя (при нормальной работе сигнал на выходе преобразователя должен расти примерно линейно с ростом напряжения на его входе).

Если указанные условия не выполняются необходимо провести поиск неисправности и наладку схемы, после чего повторить операции по п.п. 4.4.1 и 4.4.2.

 

4.4.4. Делением соответствующих амплитуд выходных напряжений на входные по п.п. 4.4.1, 4.4.2 определить частные коэффициенты передачи преобразователя при соответствующих входных напряжениях K_i=U_{ВЫХОДА i}/U_{ВХОДА i}. Определить средний коэффициент передачи по формуле

K_i=15; 13,7; 16.7; 18,7; 19; 20; 20; 20. K=17.9

 

.

4.4.5. Определить погрешность чувствительности по формуле:

,

 

 

где (K_i – K) _MAX – максимальная из разностей.

Примечание. Все расчеты по п.п. 4.4.4, 4.4.5 могут выполняться после проведения всех экспериментов.

4.4.6. По данным п. 4.4.2 построить график зависимости амплитуды выходного сигнала в функции от величины входного напряжения (статическая функция преобразования).

3.5.Определение зависимости коэффициента преобразования от частоты входного сигнала

4.5.1. Установить на входе в преобразователь сигнал частотой 200 Гц и амплитудой 200мВ. Измерить амплитуду выходного сигнала.

4.5.2. Повторить операции п. 4.5.1для частот 400; 600; 800 Гц.

4.5.3. Для каждой частоты вычислить коэффициент усиления (коэффициент передачи) преобразователя как отношение соответствующего выходного сигнала к входному.

4.5.3. Построить графическую зависимость коэффициентов усиления от частоты (амплитудно - частотная характеристика). Сравнить экспериментальные результаты с теоретическим расчетом; как указано в п. 2.3 с ростом частоты сигнала коэффициент передачи преобразователя должен понижаться.

 

Fвх, Гц
Uвых, мВ

 

 

При понижением частоты входного сигнала амплитуда выходного сигнала растет.

Вывод: преобразователь сигнала не соответствует к предъявленным требованиям, т.к погрешность чувствительности очень большая.

 

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

принципиальную схему преобразователя с номиналами всех элементов;

таблицы с исходными результатами измерений;

значения рассчитанных величин;

график статической функции преобразования;

график амплитудно - частотной характеристики;

вывод о соответствии или несоответствии экспериментально полученных параметров преобразователя предъявленным к нему требованиям.