Разработка бесконтактного измерителя перемещений с компенсацией влияния неинформативных параметров - Дипломная работа

В работе были рассмотрены типы различных датчиков, измеряющих линейные перемещения. Был проведен анализ внешних факторов, влияющих на результаты измерения. На основании полученных данных для создаваемого макета был выбран оптический тип датчика линейных перемещений. Построена математическая модель, учитывающая влияние неинформативных факторов на результаты измерения. Результаты данной работы можно использовать для дальнейшего усовершенствования представленного макета.По мере развития промышленности, перед человечеством появилась новая задача, а именно: контроль перемещений. Перемещение - изменение положения физического тела в пространстве с течением времени относительно выбранной системы отсчета. В современном промышленном производстве существует необходимость в регулярном проведении измерений величины перемещений и деформаций объектов. Наиболее ярким примером необходимости проведения таких измерений является авиационная промышленность, а именно газотурбинные установки, в которых отклонения от указанных пределов перемещения могут привести к огромным финансовым потерям.Датчик перемещения - это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Разумеется, подобные приборы имеют колоссальное количество практических применений в самых разнообразных областях, поэтому существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам. Следует сразу отметить, что все датчики перемещения можно разделить на две основных категории - датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения.Взаимосвязь емкости конденсатора с его геометрической конфигурацией представляет собой основу работы подобных датчиков. Если привести простой пример, то можно отметить принцип регулировки расстояния между емкостными пластинами под действием внешних физических факторов (рис.1.1). Учитывая тот факт, что обратно пропорционально показателю величины зазора от одной пластины к другой изменяется емкость конденсатора, судить о расстоянии между пластинами можно благодаря определению емкости при остальных имеющихся и известных параметрах. Зарегистрировать различные изменения показателей емкости можно благодаря различным известным способам (например, измеряя его импеданс). Вычисление показателя чувствительности подобного емкостного датчика представляет собой отношение приращения емкости к вызвавшему это приращение изменению измеряемой величины.Моноблочные датчики представляют собой устройство, в котором и излучатель и приемник находятся в одном корпусе. Датчики оптического типа по принципу своей работы делятся на три группы: 1. тип Т - датчики барьерного типа (у подобных датчиков предусмотрен прием луча от отдельно стоящего излучателя); 2. тип R - датчики рефлекторного типа (используется принцип приема луча, отраженного катафотом); Для датчиков, у которых предусмотрен прием луча от отдельно стоящего излучателя (датчик барьерного типа), приемник и излучатель расположены в отдельных корпусах, устанавливаемых на одной оси По данному принципу прерывание луча у данных датчиков происходит в том случае, если в активную зону попадает какой-либо объект.Датчики индуктивного типа предназначены для конверсии линейного или углового механического перемещения в электрическое напряжение Для таких датчиков принцип их действия заключается во взаимоиндукции системы катушек при изменении величины измеряемого перемещения либо на изменении индуктивности катушки с ферромагнитным сердечников. Подобные датчики индуктивного типа причисляются к типу параметрических преобразователей сигнала, и, как следствие, по принципу действия имеют потребность в питании от источника переменного тока. Трансформатор с подвижным сердечком представляет собой чувствительный элемент для одного из подобных датчиков. Перемещение сердечника вызывается сменой позиции внешнего объекта, что впоследствии вызывает изменение потокосцепления между обмотками трансформатора (первичной и вторичной), (рис.1.5).Датчики данного типа содержат генератор магнитного поля и регистратор, с помощью которого определяется величина индукции вторичных магнитных полей. Регистратором же как раз и определяются параметры вторичного поля, на основании чего вычисляется существующее расстояние до объекта по тому принципу, что чем ближе объект, тем его объем будет пронизывать все больший магнитный поток, что лишь усилит индукцию вторичного магнитного пола и вихревые токи.В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара, где отраженные от объекта ультразвуковые волны фиксируются. Исходя из этого, структурная схема подобных датчиков обычно представляет собой регистратор и источник звуковых волн (рис.Зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля применяется в датчиках магниторезистивного типа.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.......................................................................................................8

1.1. Определение датчика перемещения.............................................9

1.2 Сравнительный анализ методов измерения перемещений. ............9

1.2.1 Емкостные датчики перемещения ............................................10

1.2.2 Оптические датчики перемещения...........................................13

1.2.3 Индуктивные датчики перемещения........................................16

1.2.4 Вихретоковые датчики перемещения.......................................19

1.2.5 Ультразвуковые датчики перемещения....................................20

1.2.6 Магниторезистивные датчики перемещения...........................21

1.2.7 Датчики на основе эффекта Холла ...........................................22

1.2.8 Магнитострикционные датчики перемещения ........................22

1.2.9 Потенциометрические датчики перемещения .........................24

1.3 Сравнительный анализ характеристик существующих датчиков перемещений. Выбор методики измерения перемещений. ...........................24

2.1 Анализ типовых характеристик датчиков перемещений и факторов, влияющих на результаты измерений.............................................28

2.2 Разработка математической модели датчика..................................32

2.3 Анализ влияния неинформативных факторов................................48

2.4 Разработка алгоритма компенсации влияния неинформативных параметров........................................................................................................51

2.4.1 Компенсация влияния внешней засветки.................................54

2.4.2 Калибровка датчика. Расчет коэффициента увеличения мощности светодиода. .................................................................................55

2.4.3 Калибровка датчика. Увеличение мощности светодиода. ......55

6

2.4.4 Измерение величины перемещения..........................................56

2.4 Разработка принципиальной схемы датчика .................................56

2.5 Сборка макета датчика.....................................................................59

2.5 Экспериментальное исследование макета ......................................61