Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Інститут автоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління

Кафедра метрології та промислової автоматики

Лабораторна робота № ____

“ПОВІРКА ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ ЗУСИЛЛЯ”

з дисципліни “Вимірювальні перетворювачі”

Вінниця, ВНТУ 2008

Мета роботи : вивчити принцип дії та конструктивні особливості тензорезистивного сенсора зусилля, отримати практичні навики по визначенню його метрологічних характеристик.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Вимірювальний канал зусилля (ВКЗ) представляє собою сукупність вимірювальних пристроїв і засіб вимірювань (рис.1).

До вимірювальних пристроїв в даній схемі належать: первинний вимірювальний перетворювач зусилля (сенсор зусилля СЗ) і масштабний перетворювач (вимірювальний підсилювач ПВ). Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) послідовного наближення є вторинним засобом вимірювань.

Представлений вимірювальний канал є основою побудови апаратних засобів вимірювань зусилля, моменту (пускового, динамічного, електромагнітного, інерції), деформацій, тиску, витрат. Тип сенсора зусилля (тензорезистивний, ємнісний, індуктивний і т.ін.) визначає підходи до аналізу метрологічних характеристик таких засобів вимірювань.

Рис. 1. Структурна схема вимірювального каналу зусилля

В основу принципу дії тензорезистивного сенсору (ТС) покладено тензоефект у напівпровідниках. Чутливим елементом ТС є сапфірова мембрана з кремнієвими тензорезисторами .

Під дією інформативного параметра (зусилля ) мембрана деформується, що в свою чергу викликає зміну опору мостової схеми тезорезисторів (рис.2)

, (1)

де - чутливість тензорезистивного перетворювача .

Рис. 2. Залежність зміни опору від

прикладеного зусилля

Зміна опору приводить до зміни вихідної напруги тензомоста.

Якщо опори всіх чотирьох плечей моста однакові, то

, (2)

де - напруга, якою живиться мостова схема ТС;

- струм джерела живлення ;

- опір мостової схеми тензорезисторів /

Коли вхідна величина викликає зміну опору тензорезистивного сенсора, напруга . Тому вихідна напруга тензомоста складає

(3)

або для малих опорів

.

Для підсилення малих різниць напруги на фоні синфазної завади, яка може бути більшою за величину , застосовують вимірювальний підсилювач.

Вимірювальний підсилювач повинен задовільнити таким вимогам:

-диференціальний вхід для зменшення дії синфазної завади;

-великий коефіцієнт підсилення;

-малий рівень нульового сигналу;

-великий (як правило, більше 80 дБ) коефіцієнт послаблення синфазної

завади.

В даному випадку диференціальний вхідний сигнал є вихідна напруга , що змінюється на виході ТС. Підсилений ПВ (рис.3) диференціальний вхідний сигнал

, (4)

поступає на вхід аналого-цифрового перетворювача послідовного наближення, де перетворюється в двійковий код

Рис. 3. Зміна напруги на вході аналого-цифрового перетворювача

де - коефіцієнт підсилення вимірювального підсилювача;

- розрядність регістра послідовного наближення АЦП;

- опорна напруга аналого-цифрового перетворювача.

Тоді остаточне рівняння перетворення вимірювального каналу зусилля матиме вигляд

, (6)

а його теоретична статична характеристика представлена на рис.4.

Рис. 4. Теоретична статична характеристика вимірювального каналу зусилля

ХІД РОБОТИ

1 Експериментальне визначення статичних метрологічних характеристик

1.1 Діапазон зміни зразкової величини (таблиця 1) вибрати у відповідності з варіантом, який вказує викладач.

Таблиця 1 - Варіанти завдань

№ вар.	01	02	03	04	05	06	07	08
	Q, г	Q, г	Q, г	Q, г	Q, г	Q, г	Q, г	Q, г
1	0	50	100	150	200	250	300	350
2	5	55	105	155	205	255	305	355
3	10	60	110	160	210	260	310	360
4	15	65	115	165	215	265	315	365
5	20	70	120	170	220	270	320	370
6	25	75	125	175	225	275	325	375
7	30	80	130	180	230	280	330	380
8	35	85	135	185	235	285	335	385
9	40	90	140	190	240	290	340	390
10	45	95	145	195	245	295	345	395

№ вар.	09	10	11	12	13	14	15	16
	Q, г	Q, г	Q, г	Q, г	Q, г	Q, г	Q, г	Q, г
1	400	450	500	550	600	650	700	750
2	405	455	505	555	605	655	705	755
3	410	460	510	560	610	660	710	760
4	415	465	515	565	615	665	715	765
5	420	470	520	570	620	670	720	770
6	425	475	525	575	625	675	725	775
7	430	480	530	580	630	680	730	780
8	435	485	535	585	635	685	735	785
9	440	490	540	590	640	690	740	790
10	445	495	545	595	645	695	745	795

1.2 Провести вимірювання зусилля на лабораторному стенді «До-слідження первинних вимірювальних перетворювачів» шляхом дії на тензо-резистивний сенсор зусилля зразкової ваги , і результати занести в таблицю 3.

Таблиця 3 - Результати метрологічної повірки сенсора зусилля

1.3.Провести вимірювання рівня нульового сигналу і його значення записати у вигляді:

наприклад, Q₀ = 15 г.

1.4 Ввести поправку на величину нульового рівня і виправлені результати Q_вв занести в таблицю 4.

Таблиця 4 - Виправлені результати вимірювань

1.5 Побудуйте графік експериментальної статичної характеристики.

2 Отримання теоретичної статичної характеристики

Отримати теоретичну градуювальну характеристику в середовищі програмного забезпечення «NUMERI». Для цього необхідно виконати такі дії:

- запустіть програму NUMERI (numeri.exe).

- увійдіть в меню «Інтерполяція» (Клавіша «3»).

- увійдіть в меню «Дані» (Клавіша «1»).

- увійдіть в меню «Створення даних» (Клавіша «1»).

- увійдіть в меню «Введення даних з клавіатури» (Клавіша «3»:

- задайте кількість пар даних 10;

- задайте крок по Х=5;

- задайте початкове значення Х, що відповідає Вашому варіанту. Наприклад, 100.

- нажміть клавішу «F10»;

- введіть результати вимірювань зусилля Q_вв (таблиця 4);

- нажміть клавішу «F10»;

- нажміть клавішу «1» і побудуйте з екрану монітора теоретичну статичну характеристику;

- клавішею «Esc» верніться в попереднє меню. Виведіть на екран монітора (Клавіша «2») таблицю теоретичних даних Q_тд. Занесіть отримані результати в таблицю 5.

Таблиця 5 - Результати теоретичних даних

3 Інтерполяція теоретичних даних

Клавішею «Esc» верніться в меню «Поліном»:

- нажміть клавішу «1»;

- задайте степінь полінома рівну 1;

- нажміть клавішу «F10»;

- представте теоретичну функцію перетворення вимірювалного каналу зусилля у вигляді

.

Наприклад,

.

- клавішею «Esc» верніться в меню «Створення даних».

4 Визначення класу точності

4.1 Визначіть зведену похибку для кожної опорної точки вимірювання

,

де - верхня межа вимірювання.

4.2 Побудуйте залежність і визначіть максимальне значення зведеної похибки.

4.3 Встановіть клас точності вимірювального каналу зусилля з такого ряду

[1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0;6.0] • 10ⁿ,

де може набирати значення n = 1; 0; -1; -2; ... .

4.4 Зробіть висновки по роботі.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Суть повірки засобів вимірювальної техніки.

Які операції здійснюють при повірці?

2. Суть повірки методом зразкових приладів.

3. Суть повірки методом зразкових мір.

4. Суть повірки методом зіставлення.

5. Суть повірки методом зразкових сигналів.

6. Що таке еталон, державний еталон, зразковий засіб вимірювальної техніки?

7. Наведіть структурну схему вимірювального каналу зусилля.

8. Поясніть принцип дії тензорезистивного вимірювального перетворювача.

9. Наведіть методику отримання експериментальної статичної характеристики вимірювального каналу зусилля.

10. В чому суть метода поправок для вилучення систематичної складової похибки?

11. Наведіть методику експериментального визначення зведеної похибки вимірювального каналу зусилля.

12. Які ви знаєте шляхи визначення нормуючого значення для оцінки зведеної похибки ?

13. Яку складову похибки називають адитивною? Наведіть приклади.

14. Яку складову похибки називають мультиплікативною? Наведіть приклади.

15. Як експериментально визначають клас точності?

Література

1.ДСТУ 2681-94. Метрологія. Терміни та визначення. -К.: Держстандарт України, 1994. -68с.

2.ДСТУ 2682-94. Метрологічне забезпечення. Основні положення. -К.: Держстандарт України, 1994. -15с.

3.ДСТУ 3215-95. Метрологічна атестація засобів вимірювальної техніки. Організація та порядок проведення. -К.: Держстандарт України, 1995. -10с.

4. Володарський Є.Т., Кухарчук В.В., Поджаренко В.О., Сердюк Г.Б. Метрологічне забезпечення вимірювань і контролю.- Вінниця: ВДТУ, 2001.- 210 с.