Канал обработки информации при использовании реостатного датчика

Министерство  образования и науки Российской федерации

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«Владимирский государственный  университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича

Столетовых»

Кафедра ПиИИТ

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине «Физические основы получения информации»

тема: «Канал обработки информации с использованием реостатного датчика»

 

 

Выполнил

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Владимир, 2012 г.

 

Содержание 

 

1	Задание курсового  проекта	3
2	Обзор реостатных датчиков	4
3	Описание работы схемы	11
4	Обоснование выбора элементов	12
5	Расчет погрешностей	13
6	Выбор корпуса	19
7	Список используемой литературы	20
	Приложения	21
	Функциональная  схема	21
	Печатная плата  блока питания	21
	Принципиальная  схема	22
	Печатная плата  канала обработки информации	23
	Спецификация	24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание курсового проекта

 

Рассчитать канал обработки информации при использовании реостатного датчика.

 

 

Питание-сеть; x=±1 мм; γ_д=±0,1%; γ_∑=<1%; R_д=2000 Ом; Uv=2В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Обзор реостатных датчиков

 

Реостатный  датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной  является линейное или угловое перемещение  токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения.

Предназначены для преобразования линейных или  угловых перемещений в электрический  сигнал, а также для воспроизведения  простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа. По способу выполнения сопротивления делятся на

- ламельные  с  постоянными сопротивлениями;

- проволочные  с непрерывной намоткой;

- с резистивным  слоем.

Ламельные датчики использовались для проведения относительно грубых измерений  в силу определенных конструктивных недостатков.

В таких датчиках постоянные резисторы, подобранные  по номиналу специальным образом, припаиваются к ламелям. Ламель представляет собой  конструкцию с чередующимися  проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт (Рисунок 1). При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение  сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок.

Проволочные датчики предназначены для более точных измерений. Как правило их конструкции представляют собой  каркас  из гетинакса, текстолита или керамики, на который в один слой, виток к витку намотана тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник.

Диаметр проволоки  определяет класс точности реостатного датчика (высокий-0,03-0,1 мм , низкий 0,1-0,4 мм). Материалы провода : манганин, фехраль, сплавы на основе благородных металлов. Токосъемник выполнен из более мягкого материала, чтобы исключить перетирание провода.

Реостатные датчики с резистивным слоем.

Преимущества реостатных датчиков :

- простота конструкции;

-  малые габариты и вес;

-  высокая степень линейности статических характеристик;

- стабильность характеристик;

- возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатки :

-  наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибание ползунка ;

-  погрешность в работе за счет нагрузки ;

- сравнительно небольшой коэффициент преобразования;

- высокий порог чувствительности ;

- наличие шумов ;

- подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

 

Статическая  характеристика  реостатных  датчиков

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим на примере реостатного датчика с непрерывной намоткой. К зажимам реостата прикладывается переменное или постоянное напряжение U. Входной величиной является перемещение X, выходной − напряжение U_вых. Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна т.к. справедливо соотношение:

                                            U_вых=(U/R)r ,

где R- сопротивление обмотки ;

18. сопротивление части обмотки.

Учитывая, что  r/R=x/l ,где l - общая длина намотки, получим

          U_вых=(U/l)x=Kx    [В/м],

Где К - коэффициент преобразования (передачи) датчика.

Очевидно, что такой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный). Существуют схемы чувствительные к изменению знаку, например, схема представленная на рисунке. Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке. Полученные идеальные характеристики могут существенно отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей:

1.Зона нечувствительности.

    Выходное напряжение  меняется дискретно от витка  к витку, т.о. возникает эта зона, когда при малом входная величина U_вых не меняется.

Величина скачка напряжения определяется по формуле :

            DU=U/W , где W- число витков.

 

     Порог чувствительности  определяется диаметром намоточного  провода :

            Dx=l/W.

 

 

2.Неравномерность  статической характеристики из-за непостоянства диаметра провода, удельного сопротивления и шага намотки.

3.Погрешность  от люфта, возникающего между осью вращения движка и направляющей втулкой (для уменьшения используют поджимные пружины).

4. Погрешность  от трения.

При малых мощностях элемента приводящего в движение щетку реостатного датчика может возникать за счет трения зона застоя.

Необходимо тщательно  регулировать нажим щетки.

 

 

5.Погрешность  от влияния нагрузки.

В зависимости от характера  нагрузки возникает погрешность, как  в статическом, так и в динамическом режимах. При активной нагрузке изменяется статическая характеристика. Величина выходного напряжения  будет определяться в соответствии с выражением:

                 U_вых=(UrR_н)/(RR_н+Rr-r²)

Т.о. U_вых=f(r) зависит от R_н. При R_н>>R можно показать, что U_вых=(U/R)r ;

при  R_н»R зависимость нелинейна, и максимальная погрешность датчика будет при отклонении движка на (2/3))l. Обычно выбирают R_н/R=10…100. Величина ошибки при x=(2/3)l может быть  определена из выражения :

                                 E=4/27h,

где  h=R_н/R - коэффициент нагрузки.

 

Собственные  шумы  реостатного датчика

 

При движении щетки от витка к витку напряжение на выходе меняется скачком. Погрешность, создаваемая ступенчатостью имеет вид пилообразного напряжения, наложенного на выходное напряжение передаточной функции ,т.е. представляет собой шум . При наличии вибрации щетки при движении также создается шум (помеха). Частотный спектр вибрационного шума лежит в области звуковых частот.

Для устранения вибрации токосъемники выполняют из нескольких проволочек различной длины сложенных вместе. Тогда собственная частота каждой проволочки будет различна, это препятствует появлению технического резонанса. Уровень тепловых шумов низок, их учитывают в особо чувствительных системах.

 

Функциональные реостатного датчики

 

Необходимо  отметить, что в автоматике часто  для получения нелинейных зависимостей используются функциональные передаточной функции.

Их построение производится тремя способами :

- изменением  диаметра проволоки вдоль намотки ;

-  изменением  шага намотки ;

- применением  каркаса определенной конфигурации ;

- шунтированием  участков линейных реостатов сопротивлениями различной величины .

 

     Например, чтобы получить квадратичную  зависимость по з-му способу,  нужно чтобы ширина каркаса изменялась по линейному закону, как это показано на рисунке 9.

 

Многооборотный  потенциометр

Обычные потенциометрические  датчики имеют ограниченный диапазон работы. Его величина задана геометрическими  размерами каркаса и числом витков обмотки. Их увеличивать беспредельно нельзя. Поэтому нашли применение многооборотные потенциометрические датчики, у которых резистивный элемент свит по винтовой линии с несколькими витками, их ось должна повернуться несколько раз, чтобы движок переместился с одного конца обмотки на другой, т.е. электрический диапазон таких датчиков кратен 360⁰.

Основным достоинством МПД является высокая разрешающая  способность и точность, что достигается  благодаря большой длине резистивного элемента при малых общих габаритах.

Недостатки :

- наличие трех и более подвижных контактов (сложность конструкции) ;

-  небольшая скорость вращения ограничивает их применение в быстродействующих системах.

 

Фотопотенциометры  (ФП) − представляет собой бесконтактный аналог обычного потенциометра с резистивным слоем, механический контакт в нем заменен фотопроводящим, что, конечно, повышает надежность и срок службы. Сигналом с ФП управляет световой зонд, выполняющий роль движка. Он формируется специальным оптическим устройством и может смещаться в результате внешнего механического воздействия вдоль фотопроводящего слоя. В месте засветки фотослоя возникает избыточная по сравнению с темновой фотопроводимость и создается электрический контакт.

     ФП  выполняют на гомогенной (фоторезистивной)  и гетерогенной (типа р-п перехода) основах.

ФП по назначению : линейные и функциональные.

Функциональные − позволяют  пространственное перемещение источника  света преобразовать в электрический  сигнал заданного функционального  вида за счет профилированного резистивного слоя (гиперболические, экспоненциальные, логарифмические).

 ФП на  гетерогенной основе обладают  чувствительностью от 0,5 до 1,0 В/мм*мВт и постоянной времени t»10^-6с. Отклонение от линейности в них достигает 1-5% на длине 70мм.

ФП на гомогенной основе обладают большей инерционностью их постоянные времени находятся в пределах от 10^-3с  до 10^-2с.

Разрешающая способность: 1-12 мкм.

Недостатки  ФП :

- отсутствие нуля пелингационной характеристики;

- небольшая мощность выходного сигнала;

- технологические сложности изготовления слоев.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Описание работы схемы

 

Датчик питается напряжением 1000 мВ через стабилизатор напряжения с коэффициентом стабилизации K = 30 от общего с усилителем стандартного нестабилизированного блока питания. Усилитель У предназначен для обеспечения линейности характеристики всего канала, для чего имеет входное сопротивление, много большее сопротивления датчика.

Об усилителе  известно, что он выполнен в виде эмиттерного повторителя и благодаря  глубокой отрицательной обратной связи коэффициент влияния колебаний напряжения U его питания на коэффициент усиления снижен до значения y_UУ = +0,3% / (10% DU/U), а влияние температуры приводит к смещению его нуля на y_0У = + 0,2%/10К.