Преобразователь ускорения движущегося по рельсам поезда

ФГОУ ВПО  «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ –  УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

УЧЕБНО-НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ИНСТИТУТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ  ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра: «Приборостроение, метрология и сертификация»

Допустить к  защите

«_____»________2010

Руководитель________________

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине:

«Физические основы получения информации»

Тема курсового  проекта: «Преобразователь ускорения движущегося

 по  рельсам поезда»

Проект выполнил студент  Лесич Н. Е.

Шифр 080363 группы 31 П  УНИИ ИТ

Специальность  200101

Курсовая работа защищена с оценкой ________

Студент    Лесич Н. Е.

Руководитель   Давыдова Н. В.

Члены комиссии  

Орел, 2010

АННОТАЦИЯ

Цель  курсового проекта заключалась в проектировании преобразователя ускорения движущегося объекта. В качестве преобразователя, измеряющего данное ускорение, был выбран тензорезистивный преобразователь.

Решение данной задачи достигалось при помощи:

- обзора различных преобразователей ускорения;

- выбора конкретного преобразователя для проектирования;

- расчета параметров преобразователя.

Выбор преобразователей выполнялся на основе рассмотрения литературы, связанной с темой курсового проекта. Было рассмотрено не менее пяти принципов действия преобразователей, решающих поставленную задачу. В качестве источников информации использовались учебники, научные издания, а также патентно-технические источники. Из обзора был выбран преобразователь более подходящий, по моему мнению, для проектирования. Было составлено техническое задание. Производился расчет преобразователя для выявления его параметров. По результатам проектирования были сделаны выводы, занесенные в заключение.

Цель  курсового проекта была достигнута. Разработан тензорезистивный преобразователь с расчетными параметрами, удовлетворяющими заданным.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………………..5

1. Заданная измеряемая ФВ. Определение понятия……...…………………….6
2. Обзор преобразователей, которые используются для измерения ускорения движущегося объекта…………..……………………………….……………..9
1. Пьезоэлектрический преобразователь…………………………………...9
1. Пьезоэлектрический преобразователь ускорения 1………………9
2. Пьезоэлектрический преобразователь ускорения 2……………11
2. Тензорезистивный преобразователь ……………………….…………12
1. Тензорезистивный преобразователь линейного ускорения……12
2. Тензорезистивный преобразователь ускорения…………………14
3. Реостатный преобразователь ускорения………………………………15
4. Индуктивный преобразователь…………………………………………17
5. Емкостный преобразователь……………………………………………18
3. Выбор преобразователя…………………………………………………….20
4. Техническое задание…………………………………………………………23
1. Наименование устройства………………………………………………23
2. Состав устройства………………………………………………………23
3. Назначение и область применения………………………………...…23
4. Технические требования………………………………………………23
5. Требования к конструкции……………………………………………23
6. Условия эксплуатации…………………………………………………24
7. Требования надежности………………………………………………24
5. Конструкторский раздел……………………………………………………25
1. Принцип действия преобразователя……………………………………25
2. Описание конструкции преобразователя ………………..……………26
3. Расчет основных характеристик преобразователя.……………………28
4. Технология наклеивания тензорезисторов …….………………………42

Заключение………………………………………………………………………44

Список использованных источников…………………………………………45

 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС

(ГУ - УНПК)

ЗАДАНИЕ

Фамилия, И.О.

5. Дата выдачи задания:.-----------------------------------------------------------------           

Руководитель------------------------------------------------------------------------------

                                                                                   (подпись руководителя)

              Задание принял к исполнению----------------------------------------------

                                                                                     (подпись студента)

Введение

Тема данного курсового проекта – преобразователь ускорения движущегося по рельсам поезда. Изменение параметров ускорения, на сегодняшний день, считается актуальной темой, так как исследование процессов изменения ускорений используют в различных областях науки и техники. Например, в приборостроении, машиностроении, ракетной технике, в строительстве и т. д.

На сегодняшний  день изобретено огромное количество приборов, позволяющих предельно точно измерить ускорение различных движущихся объектов, в том числе и поезда, движущегося по рельсам. Основным изобретением для измерения ускорения является акселерометр. Это преобразователь измерения параметров ускорения и других физических величин.  

Измерительный преобразователь – это техническое  устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование. Работа измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, так как объект измерения – это, как правило, сложный, многогранный процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из которых действует на измерительный преобразователь совместно с остальными параметрами. Нас же интересует только один параметр, который называем измеряемой величиной, а все остальные параметры процесса считаем помехами.

Для достижения поставленной цели мы рассмотрели множество  различных преобразователей с различным принципом действия и выбрали один, для дальнейших расчетов и проектирования.

1. Заданная измеряемая физическая величина. Определение понятия

          Современная  информационно-измерительная   техника  располагает  средствами  измерения около двухсот  различных  физических величин – электрических,  магнитных,  тепловых,  акустических,  механических  и  т. д.

           Подавляющее   большинство  этих величин   в  процессе  измерения  преобразуется   в  величины  электрические,  как  наиболее  удобные  для   передачи,  усиления, математической  обработки   и  точного измерения. Поэтому  в  современной   измерительной   технике  находят  широкое  применение  преобразователи  разного  рода  физических  величин  в  электрические  величины.

           Одной  из актуальных проблем современной  техники является измерение параметров ускорений. 

          Ускорение – это векторная  величина, показывающая на сколько  изменяется вектор скорости точки (либо тела) при её движении за единицу времени. Так же под ускорением понимают производную скорости по времени.

          Ускорение обычно обозначается  , в теоретической механике . Единицей измерения ускорения служит метр в секунду в квадрате (m/s², м/с²), существует также внесистемная единица Гал (Gal), применяемая в гравиметрии и равная 1 см/с². [2]

          Исследование процессов изменения  ускорений представляют большой  интерес для различных областей  народного хозяйства – приборостроения,  машиностроения, ракетной техники  и т. д. Так же процесс  измерения ускорений используют в различных областях науки. Например, в астрономии. Где так же наблюдаются изменения скорости вращения Луны. Как впервые было замечено Галилеем, время вращения Луны вокруг Земли несколько тысячелетий становится все короче, т. е. скорость вращения становится все больше. Причина состояла в изменении эксцентриситета земного пути. С 12000 года до Рождества Христова Луна приближается все ближе к Земле, и это будет продолжаться почти до 37000 года после Р. Х., когда эксцентриситет Земли будет вновь увеличиваться. Однако это ускорение столь ничтожно, что время оборота Луны в продолжение 2000 лет стало только на ½ секунды короче и Луна приблизилась к Земле за это время только на 60 м.

            Скорость в различных неравномерных  движениях изменяется по-разному.  Например, товарный поезд, отходя  от станции, движется ускоренно; на перегоне — то ускоренно, то равномерно, то замедленно; подходя к станции, он движется замедленно. Пассажирский поезд также движется неравномерно, но его скорость изменяется быстрее, чем у товарного поезда. Скорость пули в канале ствола винтовки возрастает от нуля до сотен метров в секунду за несколько тысячных долей секунды; при попадании в препятствие скорость пули уменьшается до нуля также очень быстро. При взлете ракеты ее скорость растет сначала медленно, а потом все быстрее. Для равномерно-ускоренного движения можно количественно охарактеризовать изменение скорости с течением времени, вводя новую физическую величину — ускорение.

          Измерение ускорения различных  движущихся объектов – самолетов,  ракет, наземных или морских  транспортных средств очень важно  для человечества. Его измеряют для дальнейшего изучения свойств и параметров исследуемого объекта. Например, ускорение движущегося наземного транспорта, самолетов, различных механизмов и, даже, ускорение человека. Так же ускорение можно измерить у деталей приборов различного назначения (ускорение вала, колеса и т. д.).

          На сегодняшний день изобретено  огромное количество приборов, позволяющих предельно точно измерить ускорение различных движущихся объектов, в том числе и поезда, движущегося по рельсам. Основным изобретением для измерения ускорения является акселерометр. Это преобразователь измерения параметров ускорения и других физических величин. Ускорение измеряют в различных сферах деятельности человека.

Ускорение воспринимается: в линейном (с одной степенью свободы) акселерометре - механическом  маятниковым устройством, в котором под действием ускорения возникает отклонение маятника от положения равновесия (размер отклонения показывает стрелка на шкале, отградуированной в единицах ускорения); в электромеханическом акселерометре — тензодатчиком, изменяющим свой электрический параметр (сопротивление, индуктивность или ёмкость) в зависимости от механической деформации, пропорциональной ускорению; в максимальном акселерометре — или маятниковым устройством, разрывающим контакт в электрической цепи при достижении объектом исследования заданного значения ускорения, или пьезоэлектрическим датчиком, вырабатывающим электрическое напряжение при механическом сжатии под действием сил инерции. В электромеханических и максимальных акселерометрах ускорения регистрируются на экране осциллографа, на который после усиления поступают электрические сигналы с воспринимающих ускорение устройств.

При небольших (до 10 Гц) частотах колебаний деталей машин или движущихся объектов для измерений больших ускорений применяют механические акселерометры; при повышенных частотах — электромеханические акселерометры; при вибрационных измерениях ускорений в диапазоне частот 10 Гц — 20 кГц — максимальные акселерометры. Максимальные акселерометры позволяют измерять ускорения от 1 см/сек² до 30 км/сек² (0,001 до 3000 g, где g — ускорение свободного падения).

          Измерительное  преобразование   представляет  собой   отражение   размера  одной  физической  величины  размером  другой  физической  величины, функционально  с  ней  связанной.

          Применение измерительных  преобразований  является  единственным  методом   практического построения  любых  измерительных  устройств. 

2. Обзор преобразователей, которые используются для измерения ускорения движущегося объекта

          Для измерения параметров движения  подвижных объектов, в частности  ускорения, используются различные  по принципу действия и устройству  преобразователи, такие как пьезоэлектрические,  тензорезистивные, реостатные, индуктивные, емкостные и т. д. Рассмотрим каждый из них подробно.

1. Пьезоэлектрический преобразователь ускорения

Рисунок 1. а – Пьезоэлектрический преобразователь ускорения.

Принцип действия пьезоэлектрического  преобразователя, который представлен на рисунке 1. а,  основан на использовании пьезоэлектрического эффекта (F → q), который состоит в том, что на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков  возникают электрические заряды, под действием механических сил или деформаций. Пьезоэлектрический эффект бывает прямой и обратный. Данный преобразователь ускорения основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте, который заключается в появлении электрических зарядов на гранях пьезоэлектриков при сжатии или растяжении. При прекращении действия силы, приложенной к пьезоэлектрику, заряды на его гранях исчезают. Рассмотрим принцип работы этого преобразователя подробней. При ускоренном движении инерционной массы 1, которая подвешена к корпусу на кольцевых диаграммах  4,  под действием штиля  2  на пьезоэлемент 3, будет действовать сила F=ma, где m – инерционная масса, сжимающая пьезоэлемент, а – ускорение. В качестве материала для пьезоэлемента может быть выбран титанат бария, кварц  (естественный пьезоэлектрический кристалл), титанат свинца, цирконат свинца, турмалин, сегнетова соль и другие. Под действием силы, которая действует на пьезоэлемент 3 на обкладках элемента возникает заряд , который пропорционален ускорению, где d₃₃ – коэффициент , зависящий от вещества и его состояния ( пьезоэлектрический модуль ). При сжатии пьезоэлемента инерционной массой возхникает выходная мощность. Так как эта мощность очень мала, то к преобразователю подсоединяют усилитель, который должен обладать высоким сопротивлением, для того, чтобы можно было снять выходные характеристики. Диапазон измерений ускорения такого преобразователя составляет 0 – 30g (где g = 9,8 м/с² ). Частотный диапазон данного преобразователя 50 – 80 Гц. [3]

2. Пьезоэлектрический преобразователь ускорения

Рисунок 1. б – Пьезоэлектрический преобразователь ускорения.

На рисунке 1. б представлен другой пьезоэлектрический преобразователь, отличающийся от предыдущего устройством и принципом действия.

Принцип действия данного пьезоэлектрического  преобразователя состоит в том, что под действием ускорения инерционная масса 2 начинает двигаться, следовательно, происходит деформация на пьезоэлементе 3. В следствие чего на поверхности пьезоэлемента,  выполненного в виде втулки и закрепленного между корпусом 1 и инерционной массой 2, возникает электрический заряд. Величина возникшего заряда пропорциональна величине ускорения. Далее электрический сигнал с пьезоэлементов поступает на токовыводы 6 и снимаются показания. Для предотвращения перемещения пьезоэлемента 3 и инерционной массы 2, к ним прикреплены разжимные упругие кольца 4 и 5. Тем самым обеспечивается их защемление между пьезоэлементом и противоположной поверхностью канавки. [8]

1. Тензорезистивный преобразователь ускорения

Рисунок 2. а – Принципиальная схема тензорезистивного преобразователя линейного ускорения.

          Работа тензорезистивного преобразователя основана на использовании тензорезистивного эффекта, заключающегося в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

          Действие тензорезистивного преобразователя,  представленного на рисунке 2. а, основано на преобразовании силы, возникающей при ускоренном движении инерционной массы, в изменение сопротивления тензоэлементов. Инерционная масса представлена в виде грузов 1, которые закреплены на свободных концах плоской пружины 2. Центральная часть данной пружины соединена с корпусом преобразователя. С двух сторон пружин наклеены тензоэлементы 3, включенные в мостовую схему. Тензоэлементы изготавливают из константана.  Внутренний объем преобразователя залит демпфирующей жидкостью. [3]

         При ускоренном движении инерционной  массы 1,  возникает сила, таким образом, происходит деформация пружины 2, на которой закреплены тензорезисторы 3. Такая деформация мембраны (пружины) вызывает деформацию тензорезистора, который может быть изготовлен, например, из проволоки. В результате чего, изменяется его длина, поперечное сечение, что приводит к изменению электрического сопротивления тензорезистора, которое определяется отношением

, (2.2.1)

где  – изменение длины проволоки под действием деформации;

 изменение  сопротивления тензорезистора под  действием деформации;

μ – коэф. Пуассона.

        Данное изменение сопротивления  тензорезистора является выходной  величиной. Поэтому для ее определения к преобразователю подключают тензометрическую аппаратуру.

          В современном виде тензорезистор  конструктивно представляет собой  чувствительный элемент из тензочувствительного  материала (проволоки, фольги  и др.), закрепленный с помощью  связующего (клея, цемента) на исследуемой детали, представленной на рисунке 2. б. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники.

Рисунок 2. б – Схема тензорезистора:

1 – чувствительный  элемент; 2 – связующее; 3 – подложка;4 – исследуемая деталь; 5 – защитный  элемент; 6 – узел пайки (сварки); 7 – выводные проводники

          Для удобства установки тензорезисторов  некоторые конструкции имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а так же защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.

        Диапазон изменений ускорения  такого преобразователя равен  0 – 20g. Частотный диапазон, в котором работает данный тензорезистивный преобразователь составляет 0 – 70 Гц, а частота собственных колебаний инерционной массы приблизительно равна 200 Гц. [5]

2. Тензорезистивный преобразователь ускорения

          На рисунке 2. в) представлен другой тензорезистивный преобразователь ускорения, который отличается от предыдущего простотой конструкции.

Рисунок 2. в – Тензорезистивный преобразователь ускорения

          Принцип  действия преобразователя данного  типа так же основан на использовании тензорезистивного эффекта, который сопровождается изменением сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

          Таким  образом, при ускоренном движенииинерционной  массы 1 возникает сила, которая в дальнейшем преобразуется в изменение сопротивления тензорезистивных элементов.

          Инерционная  масса выполнена в виде груза  1, который укреплен на свободном  конце плоской пружины 2. Данная  пружина изготовлена из бериллиевой бронзы. С двух сторон пружины наклеены тензоэлементы, которые могут быть изготовлены из константана. Эти тензоэлементы включены в мостовую схему. [6]

          Для  определения входной величины  к преобразователю подключают  тензометрическую аппаратуру.

          Диапазон  именений ускорения данного преобразователя  равен (0,5 – 20)g. Частотный диапазон составляет 0 – 75 Гц, а частота собственных колебаний упругой системы до 200 Гц. 

3. Реостатный преобразователь ускорения

Рисунок 3 – Принципиальная схема реостатного преобразователя ускорения.

          Реостатный преобразователь, который показан на рисунке 3 представляет собой реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Действие данного преобразователя основано на преобразовании силы в изменение сопротивления реостатного преобразователя. При ускоренном движении инерционной массы  1, которая подвешена на винтовых пружинах 2 возникаетсила. Данная инерционная масса перемещается вдоль направляющих 3 и 4, которые закреплены между корпусом и механической передачей. Также на инерционной массе закреплен ползунок 6, а на корпусе укреплен каркас 5 с обмоткой реостатного преобразователя. Обмотка обычно делается из провода, изготовленного из манганина, константана или фехраля. Преобразователь снабжен демпфером сухого трения 7. Оси демпфера и инерционной массы вращаются электродвигателем 9 через механическую передачу 8, соединяющую двигатель с направляющими 3 и 4.

          При  перемещении ползунка 6 вдоль каркаса  5 на величину шага обмотки сопротивление изменяется на , где - производная требуемой функции преобразования по перемещению ползунка x. Так как функция преобразования линейная, то получается, что и высота каркаса должна быть тоже постоянная. Напряжение, которое возникает на ползунке, подается на нагрузку , подключенную к данному преобразователю. После этого снимают показания. Выходной величиной является изменение сопротивления. [7]

          Диапазон измерений ускорения  этого преобразователя составляет  ± 0,5g; ± 1g;    3÷ +3g; - 1 ÷ +6g; -1÷+9g. Полное сопротивление реостатного преобразователя равно 800 Ом. Максимально допустимый ток 30 мА, а напряжение питания (постоянный ток) равно 6 В.  Так же преобразователь данного типа имеет предельную погрешность ±1% от диапазона изменений ускорения.

4. Индуктивные преобразователи

Принцип работы ИП основан на изменении самоиндукции катушки (L) при изменении магнитного сопротивления его магнитной цепи . Изменение магнитного сопротивления происходит в результате изменения параметров воздушного зазора под действием входного сигнала .

На рисунке 4 представлен индуктивный преобразователь, который представляет собой катушку самоиндукции W с ферромагнитным сердечником 1 и якорем 2, отделенным от сердечника воздушным зазором d. Магнитное сопротивление зазора R_d измениться в результате изменения величины воздушного зазора d или его площади поперечного сечения S_d. Катушка соединена с нагрузкой Z_н и источником переменного напряжения U_~.

Рисунок 4 –  Индукционный преобразователь с  переменной длиной воздушного зазора

Сердечник и якорь изготавливают из магнитомягких  материалов с малыми потерями на гистерезис. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник и якорь набирают из отдельных изолированных друг от друга пластин .

Такой преобразователь  обладает высокой чувствительностью  к входной величине, незначительной чувствительность к внешним магнитным полям и сравнительно небольшой собственной емкостью.

По сравнению с другими  преобразователями перемещения  индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надежностью в работе.

Недостатком их является наличие обратного воздействия  преобразователя на измеряемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотную характеристику прибора.

5. Ёмкостные преобразователи

          Ёмкостные преобразователи представляют собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами  заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется ёмкость конденсатора. [10]

В качестве ёмкостного преобразователя  широко используется плоский конденсатор. Его ёмкость определяется выражением

                                                    (2.5.1) 
где  δ – расстояние между электродами;

S – площадь электродов;

ε₀ – электрическая постоянная;

ε_r – относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров приводит к изменению  ёмкости конденсатора.

3.  Выбор преобразователя

          При рассмотрении всех измерительных  преобразователей ускорения, наиболее  подходящим для решения поставленной  задачи является тензорезистивный преобразователь ускорения, принципиальная схема которого представлена на рисунке 3.

          Устройство данного типа преобразователя  хорошо подходит для измерения линейных ускорений.

          Простота конструкции, малые габариты  и масса позволяют использовать тензорезисторы для измерения ускорений, сил, давлений, вращающих моментов и других величин, преобразующих в упругую деформацию в труднодоступных местах различных машин и механизмов без изменения конструкций.

          К достоинствам тензорезистивных  преобразователей относится большая чувствительность. Преобразователи данного типа обладают на 2 порядка большей чувствительностью, чем другие.

          Благодаря большей площади соприкосновения  фольгового тензорезистора с объектом измерения его теплопередача высокая, что позволяет увеличить ток, протекающий через тензорезистор ( до 200 мА), и тем самым повышается чувствительность. Другим достоинством фольговых тензорезисторов является то, что они имеют широкие перемычки между полосками тензорешетки, у них поперечная чувствительность к деформации практически сводится к минимуму. Так же важным достоинством является лучшая восприимчивость к деформациии объекта, вследствие большего периметра сечения плоской чувствительной полосы к площади её сечения. Это позволяет обеспечить большую точностьизмерения деформаций.