Разработка тензорезисторного датчика силы с упругим элементом типа консольной балки постоянного сечения

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Разработка тензорезисторного датчика силы с упругим элементом типа консольной балки постоянного сечения

тензорезисторный датчик измерительный

Введение

Измерение силы и веса находит широкое распространение, не только в промышлености, но и в быту. Так, например одним из первых весоизмерительных устройств, с которым мы сталкиваемся в своей жизни, это весы в роддоме.

Весоизмерительные конструкции применяются повсеместно: в гипермаркетах, в ювелирных мастерских, в научных лабораториях, на кухнях, на добывающих шахтах, в медицине и др. Большинство современных гипермаркетов оборудованы весами для взвешивания продуктов. Также весоизмерительные конструкции используют в своей работе ювелиры, при работе с драгоценными металлами, где в первую очередь важна точность измерений.

Весоизмерительные конструкции используют в своей работе химики, биологи, медики, проектировщики, инженеры, продавцы, строители, конструктора и многие другие, в чьей работе приходится сталкиваться с измерениями силы и веса.

Большинство современных весоизмерительных конструкций на предприятиях имеют возможность подключения к персональному компьютеру и могут быть укомплектованы специализированным программным обеспечением. Использование П О для таких конструкций позволяет хранить результаты взвешиваний, систематизировать их в базу данных, обрабатывать её, передавать и выводить на печать, а также интегрировать в различные автоматизированные системы управления [1].

Основой конструкции в весоизмерительных устройствах являются датчики силы. На современном рынке ассортимент датчиков силы настолько разнообразен, что для каждой задачи, о которой сказанной выше, найдётся свой датчик. Так, например датчики силы, могут использоваться, кроме ранее сказанных вариантов, в следующих областях: точной механики, часовой промышлености, в производстве измерительного оборудования [2], биомеханике, контроле готовой продукции и материалов, нагрузки различных конструкций, измерении сил действующих на колеса [3] и это не весь перечень областей в которых могут использоваться датчики силы.

Производители весового оборудования применяют в конструкциях своих весов различные типы тензодатчиков, в зависимости от предназначения и условий эксплуатации весового оборудования[4]. Существует множество наработок в области тензометрии (способ измерения напряжённо-деформированного состояния конструкции[5]), технологиях изготовления тензорезисторов и тензодатчиков.

Разработкой и выпуском весоизмерительных конструкций занимается большое количество зарубежных и отечественных фирм («Тензо — М"[6], «Уралвес"[7], «HBM"[8] и др).

Исходя из вышесказанного, можно с уверенностью сказать, что датчики веса и силы являются незаменимым компонентом в ряде областей, поэтому возникает практический и научный интерес к разработке новых типов, конструкций датчиков силы.

Несмотря на широкое разнообразие, предлагаемых на рынке датчиков силы, не всегда возможно подобрать наиболее оптимальный, под необходимые цели датчик силы.

При выборе конкретного датчика силы конечный потребитель, как правило, руководствуется следующими характеристиками:

1. формулировки самой задачи измерения,

2. диапазона измерения,

3. требуемой точности,

4. скорости и характере протекания процесса измерения силы,

5. условий эксплуатации,

6. способа отображения и передачи результатов измерения,

7. конструкции всей системы, программного обеспечения, стоимости, и т. д

Датчики силы строятся исходя из требований потребителя. В проделанной курсовой работе будут рассмотрены данные параметры датчиков силы.

Как видно из списка, параметров, от которых зависит выбор датчика силы, достаточно много, следовательно, порою, для оптимальной работы технологического процесса и оптимального соотношения цены качества, возникает необходимость проектировки нового датчика силы, который будет отвечать всем заявленным требованиям.

Цель: Разработать весоизмерительную систему на базе тензоресторного датчика силы с упругим элементом консольная балка.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ и обзор существующих датчиков силы.

2. Разработка тензорезисторного датчика силы с техническими параметрами, превосходящими существующие аналоги.

3. Разработка информационно измерительной системы (ИИС), отвечающим современным требованиям рынка весоизмерительного оборудования.

4. Расчет метрологических параметров разработанного тензорезисторного датчика силы и ИИС

1. Назначение и область применения

1.1 Данное техническое задание распространяется на разработку тензорезисторного датчика силы с упругим элементом консольная балка.

1.2. Устройство, датчика силы основано на преобразовании механической деформации сдвига или изгиба в пропорциональный электрический сигнал. Электрический сигнал на выходе датчика силы, пропорционален силе приложенной к упругому элементу датчика.

2 Технические требования

2.1 Наибольший предел измерений: 20 кг

2.2 Питание: источник постоянного тока напряжением 5 В и ток.

Величина питающего напряжения в процессе измерения может меняться не более чем на 0,05 В.

2.3 Относительное удлинение упругого элемента в точке крепления датчика: 0,1%

2.4 Длина упругого элемента не более 90 мм, а ширина 20 мм.

2.5 Упругий элемент должен быть изготовлен из рессорно — пружинной стали.

2.6 Сопротивление тензорезисторов:… … 120Ом

2.7 Степень защиты по ГОСТ 14 254:… IP68

2.8 Комбинированная погрешность:??? ± 0,03

2.9 Рабочий коэффициент передачи:… …2 ± 0,004мВ/В

3. Условия эксплуатации

3.1 Рабочий диапазон температур…-40°C… +40°C

1. Анализ и обзор существующих тензорезисторных датчиков силы, исходя из продукции фирм «Тензо-М»

Любое тензометрическое оборудование неизбежно включает в себя тензодатчик (один или более) определенного типа, в зависимости от назначения прибора. Наиболее широкое распространение тензодатчики имеют в весовом оборудовании[9].

Весоизмерительная компания «Тензо-М» [6], является ведущим производителями тензорезисторных датчиков в России. Она имеет в своем ассортименте тензодатчики следующих типов:

· Тензодатчики балочного типа

· Тензодатчики типа «Single point»

· Тензодатчики растяжения-сжатия (S образные)

· Тензодатчики сжатия мембранного типа («шайба»)

· Тензодатчики сжатия типа колонна

Обзор литературы показал, что тензодатчики растяжения-сжатия (S образные), сжатия мембранного типа («шайба»), сжатия типа колонна рассчитаны на пределы более 100 кг. Однако данная работа посвящена разработке датчика и системы на предел измерения до 20 кг, поэтому глубокий анализ этих конструкций не целесообразен. В первой главе будут рассмотрены только тензодатчики балочного типа и типа «Single point», поскольку данные датчики имеют наименьший диапазон нагрузок (от 5 до 200 кг).

1.1 Тензодатчики балочного типа

Тензодатчики балочного типа — в качестве упругого элемента имеют балку равного сечения. Способ применения заключается в том, что один край крепится жестко, а на противоположный край прикладывается усилие. Датчики балочного типа отличаются улучшенной линейностью и повторяемостью, обладают свойством нечувствительности к смещению линии действия силы. [9].

Принцип работы: основан на преобразовании механической деформации сдвига или изгиба в пропорциональный электрический сигнал.

Область применения: платформенные весы, бункерные весы, взвешивание емкостей. Датчики данного типа находят применение в конструкциях электронных весов для взвешивания и дозирования жидкостей в емкостях.

Наибольшее распространение получили датчики силы балочного типа, показанного на рис. 1.

Рис. 1 Тензодатчики балочного типа с металлическим сильфоном T2

Благодаря особенностям конструкции тензодатчики Т2 легко встраиваются в весоизмерительные системы, работают в любых условиях окружающей среды, обеспечивают хорошую точность измерений.

На корпусе любого тензометрического датчика балочного типа стрелкой указывается направление нагрузки. Установку и монтаж тензодатчика необходимо провести так, что бы силопередающее устройство воздействовало на тензодатчик, в направлении указанном стрелкой на датчике.

Массогабаритные параметры тензодатчика балочного типа Т2 изображены на рис. 2.

Рис. 2 Массогабаритные параметры датчика T2

В таблице 1 описаны технические характеристики датчики силы Т2, которые представляют наибольший интерес.

Таблица 1 — Технические характеристики датчика Т2

1.2 Тензодатчики типа «Single point»

Одноточечные датчики (single point) — датчик представляет собой балку, которая одним концом неподвижно фиксируется, а на другой конец прикладывается сила. Особенность датчика заключается в его специальном внутреннем устройстве, что позволяет датчику не реагировать на изгибающий момент. По конструкции и виду установки напоминают балочные датчики, но различаются тем, что обычно применяются по одному и закрепляются в центре взвешиваемого груза. 10]

Принцип действия: основан на преобразовании деформации изгиба в пропорциональный электрический сигнал.

Область применения: Платформенные весы, настольные весы, лотковые расходомеры, взвешивание баков и емкостей, много бункерные системы. Конструкция одноточечных тензодатчиков позволяет использовать их для создания весов и весоизмерительных систем на одном датчике.

Тензодатчики, изображенные на рис. 3 могут работать в отапливаемых и не отапливаемых помещениях.

Рис. 3 Тензодатчики типа «Single point» Т24А

Конструкция датчика Т24А и массогабаритные параметры изображены на рис. 4.

Рис. 4 Массогабаритные параметры датчика Т24А [23]

В таблице 2 описаны технические характеристики датчики силы Т2, которые представляют наибольший интерес

Таблица 2. Технические характеристики датчика Т24А

Были рассмотрены тензорезистрные датчики силы производителя «Тензо-М». Принцип действия всех датчиков одинаков: преобразование деформации (растяжение/сжатие) в электрический сигнал. В зависимости от целей использования датчика предусмотрены различные его конструкции. По конструкции различают датчики силы балочного типа,"Single point", S образные, мембранного типа «шайба», типа колонна.

Наиболее простым (из рассмотренных выше датчиков), по конструкции является тензорезисорный датчик силы балочного типа. Данный тип датчиков обладает достаточно не большим пределом измерений: от 20 до 200 кг.

Отношение разности напряжений выходного сигнала датчика (мВ)' измеренное при номинальном и нулевом усилии' к напряжению питания тензодатчика (В)[11], или иначе говоря, РКП датчика балочного имеет значение от 2 ± 0,002 до 2 ± 0,005. Рассмотренный в данной курсовой работе датчик балочного типа обладает комбинированной погрешностью, варьирующейся в зависимости от класса точности c1 и c3 и равной? ±0,040 (при c1) и? ±0,020 (при c3). рабочий диапазон температуры данного датчика составляет от -30°C до +50°C. Ползучесть датчика в интервале времени 30 минут меньше или равна ±0,049 (класс точности с1), и? ±0,025(класс точности c3). Материалом датчика является нержавеющая сталь.

Тензорезисторные датчики типа single point обладают высокой точностью, класс точности c3 и не большой ценой. Наибольший предел измерений, рассмотренного в данной курсовой работе датчика силы single point составляет: 5 до 40 кг. РКП данного датчика составляет — 2 ± 5%, а комбинированная погрешность имеет значение: ?±0,0200. Ползучесть датчика в интервале времени 30 минут меньше или равна ±0,0166. Рабочий диапазон температур рассмотренного датчика составляет: от -20°C до +65°C. Материалом датчика является алюминиевый сплав.

Достоинство данного типа датчиков заключается в том, что на одном датчике можно сделать весоизмерительную систему. Крепятся датчики типа «single point» в одну точку.

Стоит также отметить, что конструкции рассмотренных выше датчиков обеспечивают простоту монтажа.

2. Разработка тензорезисторного датчика силы

Одной из задач данной работы является разработка датчика силы с упругим элементом типа консольная балка постоянного сечения.

2.1 Расчет конструкции

Конструкция, разрабатываемого датчика силы с упругим элементом балочного типа изображена на рис. 5

Рис. 5 Конструкция датчика силы с упругим элементом типа консольной балки постоянного сечения

В условиях поставленной задачи, сказано, что относительное удлинение датчика не должно превышать 0,1%, это ограничение связано с тем, что у упругого элемента существует гистерезис, ползучесть, а также на датчик силы действуют факторы окружающий среды.

Материалом для упругого элемента датчика была выбрана пружинно — рессорная сталь марки 455CD6. Преимуществом рессорно — пружинной стали состоит в том, что она обеспечивает высокое сопротивление при малых пластических деформациях[12]. Данное свойство стали обеспечивает точность и надёжность работы упругого элемента.

Ниже представлены расчеты параметров упругого элемента

Для выполнения расчетов конструкции упругого элемента необходимо знать значение модуля Юнга (E). Модуль упругости характеризует свойства материалов сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации.

Для рессорно — пружинной стали

В технических условиях, заданных для данной курсовой работы дано:

1. длина упругого элемента l = 90 мм,

2. предел измерений m = 20кг

3. относительное удлинение

4. Ширина упругого элемента b = 20 мм

Значение силы, действующей на упругий элемент вычисляется по второму закону Ньютона [13]:

F = ,

где m — масса допустимой нагрузки на датчик,

g — ускорение свободного падения на поверхность Земли (g = 9, 80 665). Значение механической деформации консольной балки определяется выражением:

,

Где l — длина упругого элемента,

b — ширина упругого элемента

x — расстояние на консольной балки до тензорезистора

h — высота упругого элемента

Зная значения, всех перечисленные выше параметры можно вычислить высоту упругого элемента h:

На рис. 6 схематично изображен упругий элемент в виде консольной балки постоянного сечения с наклеенными на него тензорезисторами. Также на рис. 6 указано расположение тензорезисторов относительно места крепления упругого элемента.

Рис. 6 Схематичное представление упругого элемента датчика постоянного сечения с наклеенными на него тензорезисторами

Деформация растяжения упругого элемента в местах крепления тензорезисторов можно определить:

При l=20мм

При l=70мм

Деформация сжатия имеет то же значение, что и деформация растяжения, но деформация сжатия имеет отрицательное значение.

Проанализировав полученные значения механической деформации упругого элемента датчика, можно сделать вывод, что наибольшее относительное удлинение происходит в точке крепления упругого элемента к опоре, а на конце упругого элемента — минимальная степень гибкой деформации.

2.2 Измерительная цепь

На рис. 7 изображена, схема подключения 4-х тензорезисторов в мост Уитсона. Два тензорезистора воспринимают деформацию растяжения, а два тензорезистора деформацию — сжатия.

Использование четырех тензодатчиков в схеме необходимо для повышения чувствительности схемы измерения и компенсации температурной погрешности.

Рис. 7 Схема подключения тензорезисторов в мост

Сопротивление тензорезисторов возьмем равным:

Изменение сопротивления можно определить по формуле:

Вычисление общего сопротивления в цепи:

Причем, значение определяется в местах крепления тензорезисторов к упругому элементу.

Коэффициент тензочувствительности k=2

Тогда величина изменение сопротивления будет равна:

В техническом задании задано

По закону Ома[14]:

Согласно закону Ома напряжение источника питания, вычисляется по формуле:

Выполним расчет выходного напряжения моста Уитсона

Расчет выходного напряжения можно выполнить по формуле:

Рассчитана конструкция упругого элемента датчика (высота h, относительная деформация, сила F). Кроме этого осуществлены расчёты основных параметров измерительной цепи, таких как:.

В результате расчетов конструкции датчика получено:

Высота упругого элемента датчика:

Относительное удлинение в точке крепления упругого элемента

Относительное удлинение упругого элемента в местах крепления тензодатчиков:

При l=20мм

При l=70мм

В результате расчетов измерительной цепи было получено:

3. Разработка информационно измерительной системы

Приведенная в Приложении 1 схема дает полное детальное представление о принципе работы проектируемого датчика.

В приложении 1 приведена схема информационно измерительной системы.

3.1 Преобразователь DC-DC

KF50 — стабилизатор напряжения, входное напряжение от 0 до 20 В, выходное напряжение 5 В, максимальный отдаваемый ток 500мА[15]. На рис. 8 изображена принципиальная схема стабилизатора KF50.

Рис 8 Принципиальная схема стабилизатора KF50

Максимальное падение напряжения на регулирующем элементе0. 4 В.

NCP699SN30T1G — линейный регулятор напряжения, входное напряжение от 6 до 2. 1 В, выходное напряжение 3 В ±2%, максимальный отдаваемый ток 150мА. Температурный коэффициент выходного напряжения ±100ppm/C [16]. На рис. 9 изображена Принципиальная схема стабилизатора NCP699SN30T1G.

Рис 9 Принципиальная схема стабилизатора NCP699SN30T1G

В таблице 3 описано назначение пионов микросхемы NCP699SN30T1G.

Таблица 3 Назначение пинов микросхемы NCP699SN30T1G

Номер

Наименование

Назначение

1

Vin

Входное напряжение

2

Gnd

Вход для отрицательного потенциала напряжения

3

Enable

Включение/Выключение микросхемы

4

N/C

Не подключается

5

Vout

Выходное напряжение

REF 192 — источник опорного напряжения для АЦП. На рис. 10 изображена принципиальная схема микросхемы REF192. Входное напряжение до 18 В. Выходное напряжение 2. 5 В. Температурный коэффициент 5ppm/C;

Рис 10 Принципиальная схема микросхемы REF192

Назначение пинов микросхемы REF192:

1,5,7,8 — TP, NC — Не подключается

2 — Vs — Входное напряжение

3 — SLEEP — Включение/Выключение пящего режима микросхемы

4 — Gnd — Вход для отрицательного потенциала напряжения

6 — OUTPUT — Выходное напряжение

3.2 Усилитель

В качестве усилителя выбран инструментальный усилитель AD623. Усилитель может быть запитан от напряжения от 3 до 12 В. Коэффициент усиления регулируется номиналом резистора, подключаемого к 1 и 6 пину усилителя. В разработанной схеме используется коэффициент усиления 1000[17].

Рис 11 Принципиальная схема микросхемы REF192

В таблице 4 указано назначение пинов микросхемы AD623

Таблица 4 назначение пинов микросхемы AD623

Номер

Наименование

Назначение

1

-RG

Пин подключения резистора

2

-IN

Входное напряжение (-)

3

+IN

Входное напряжение (+)

4

-Vs

Вход для отрицательного потенциала напряжения питания

5

Ref

Вход опорного напряжения

6

Output

Выходное напряжение

7

+Vs

Напряжение питания

8

+Rg

Пин подключения резистора

Температурный коэффициент при коэффициенте усиления = 1 — от 5 до 10 ppm/C, при коэффициенте усиления >1 — 50 ppm/C.

3.3 Аналога — цифровой преобразователь

АЦП включает:

· T/H — УВХ (устройство выборки и хранения)

· Компаратор и ЦАП на конденсаторах с перераспределением заряда

· Control logic — управляющую логику

На рис. 12 изображена структурная схема AD7452

Рис. 12 Структурная схема АЦП

АЦП содержит дифференциальное УВХ с низким уровнем шума и широкой полосой пропускания, которое может работать с входными частотами до 3,5 МГц. Опорное напряжение подается извне от источника питания на выводы VREF и может варьироваться от 100 мВ до 3,5 В.

Значение опорного напряжения определяет динамический диапазон синфазного сигнала. Благодаря истинно дифференциальной входной структуре и изменяемому опорному напряжению, пользователь может выбрать большое число входных диапазонов и точек смещения.

Процесс преобразования задаете с помощью сигналов CS (chip select) и SCLK (serial clock), что позволяет устройству взаимодействовать с микропроцессорами или сигнальными процессорами. Входные сигналы опрашиваются по спаду сигнала CS, и в этот же момент запускается преобразование[18].

В таблице 5 приведены основные технические характеристики АЦП AD7452

Таблица 5 Технические характеристики AD7452

параметр

Значение

Единица измер.

Отношение сигнал-шум и искаж.

70

min дБ

Разрешение

12

бит

Мультипликативная погрешность

не более ± 2 квантов

Погрешность 0

не более ± 6 квантов

Интегральная нелинейность

не более ± 1 кванта

Дифференциальная нелинейность

не более ± 0. 95 кванта

Опорное напряжение

2. 5, при VDD = 4. 75 В до 5. 25 В, 2, при VDD = 2.7 В до 3.6 В

В

Время преобразования

16 битов, за 1.6 мкс с частотой тактовых импульсов 10 MГц SCLK

Пропускная способность

555

КГц max

Требования к питанию

2. 7/5. 25

Вmin/Вmax

На рис. 13 изображена схема конфигурации выводов АЦП

Рис. 13 Конфигурация выводов в 8-ми выводном корпусе SOT-23

В Таблице 6 приведены описания выводов АЦП AD7452

Таблица 6. Описание функций выходов АЦП

Название

Функция

VREF

Внешнее опорное напряжение должно быть подключено к данному входу. При напряжении питания 5 В, опорное напряжение должно быть 2.5 В, при напряжении питания 3 В, опорное напряжение должно составлять 2 В. Этот вывод должен быть соединен с землей через конденсатор не менее 0,1 мкФ.

VIN +

Положительный вывод для дифференциальных аналоговых входов

VIN —

Отрицательный вывод для дифференциальных аналоговых входов

GND

Ан. земля. Все входные анал. сигналы и любой внешний опорный сигнал должны быть отнесены к этому заземлению.

CS

Этот вход обеспечивает двойную функцию: свидетельствует о преобразовании на AD7452 и используется при последовательной передаче данных.

SDATA

Логический выход. Результаты преобразования из AD7452 выводятся на этот выход в виде последовательного потока данных. Биты, синхронизированы по спадающему фронту с входом тактовых импульсов SCLK. Поток данных состоит из четырех ведущих нулей, за ними следуют 12 бит преобразованных данных, выводимых старшим битом вперед.

SCLK

Тактовые импульсы. Логический вход. Входной тактовый сигнал также используется в качестве источника тактовых импульсов, необходимых для процесса преобразования

VDD

Вход источника питания. Диапазон от 3(+20%/-10%) В до 5(± 5%) В.

3.4 Микроконтроллер C8051F411

8 — разрядный микроконтроллер C8051f411 выбран как наиболее изученный в данном сегменте и подходящий по параметрам[19].

В таблице 7 приведены основные характеристики микроконтроллера C8051F411.

Таблица 7 Основные параметры микроконтроллера C8051F411

ЦПУ: Ядро

MCS-51

ЦПУ: F, МГц

до 50

Память: Flash, КБайт

32

Память: RAM, КБайт

45 689

I/O (макс.), шт.

20

Таймеры: 16-бит, шт

4

Таймеры: RTC

Да

Интерфейсы: UART, шт

1

Интерфейсы: SPI, шт

1

Интерфейсы: I2C, шт

1

Аналоговые входы: Разрядов АЦП, бит

12

Аналоговые входы: Каналов АЦП, шт

20

Аналоговые входы: Быстродействие АЦП, kSPS

200

Аналоговые входы: Аналоговый компаратор, шт

2

Аналоговые выходы: Разрядов ЦАП, бит

12

Аналоговые выходы: Каналов ЦАП, шт

2

VCC, В

от 2 до 5. 25

ICC, мА

41 403

TA,°C

от -40 до 85

Корпус

QFN-28

Рис. 14 Структурная схема микроконтроллера C8051F411

Пины Р1.5 Р1.6 P1.7 используются для связи микрокотроллера с АЦП по интерфейсу SPI.

Пины P1.1 P1.0 P1.4 используются для управления дисплеем. Пины Р0. 0-P1.7 используются для передачи данных дисплею.

3.5 Дисплей

Дисплей символьный, жидкокристаллический, на базе контроллера HD44780. Распространенный и простой в эксплуатации. Питание дисплея 5 В. Управляется с помощью 8 линий данных и 3 управляющих линий[20].

На рис. 15 приведена структурная схема дисплея.

Рис 15 Структурная схема дисплея

В таблице 8 описано назначение выводов дисплея.

Таблица 8 Назначение выводов дисплея

Разработана схема, состоящая из микроконтроллера, аналога — цифрового преобразователя, дисплея, стабилизаторов напряжения, инструментального усилителя.

В качестве стабилизаторов напряжения выбраны следующие микросхемы: KF50 и NCP699SN30T1G. Данные микросхемы являются типовыми и выбраны в связи с тем, что они отвечают необходимым требованиям (. Выходной сигнал с моста Уитсона имеет малый порядок (Мв), которого недостаточно для корректной обработка на АЦП, вследствие чего необходимо подключить в схему инструментальный усилитель, который усилит сигнал с моста в 1000 раз. В результате действия инструментального усилителя (AD623), на вход АЦП будет подано усиленное выходное значение. Микроконтроллер (C8051F411), используемый в приведенный схеме, служит для получения и обработки информации с АЦП и вывода на дисплей конечной информации в удобном для пользователя виде.

4. Расчет метрологических параметров разработанного тензорезисторного датчика силы и ИИС

На практике встречается много разновидностей погрешностей, носящих разных характер.

В данной курсовой работе будут посчитаны следующие типы погрешностей:

Погрешность тензорезисторов

Температурная погрешность усилителя

4. 1Погрешность тензорезисторов

Любое изменение величины сопротивлений тензорезисторов генерирует выходное напряжение, которое прикладывается далее ко входу инструментального усилителя.

Данный вид погрешности относится к постоянной систематической погрешности, которая повторяется при каждом испытании.

Будет полагать, что предельное относительное отклонение сопротивления тензорезисторов в партии от номинального составляет 5%.

Предположим, что мы выбрали случайным образом 4 тензорезистор с номиналом 120 Ом. По Факту данные тензорезисторы будут иметь следующий номинал:

Тогда величина изменение сопротивления будет равна:

То получим следующие значение напряжения на выходе моста:

Рис.

Абсолютная погрешность:, т. е значение напряжения на выходе можно написать:

Относительная погрешность:, где — значение величины, полученное при идеальных условиях

4.2 Температурная погрешность усилителя

К инструментальному усилителю подключен резистор, который задает коэффициент усиления. В разработанной схеме ИИС используется 100Ом резистор, который обеспечивает усиление с выхода моста Уитсона в 1000 раз.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 °C.

Разработанная ИИС рассчитана на работы при температуре окружающей среды от — 50 °C до +50 °С

Резистор, подключенный к усилителю имеет ТКС: 1 — 50 ppm/C

В конструкции инструментального усилителя AD623 используется сопротивление RT0603FRE07100RL на 100 Ом, с ТКС 50 ppm/K, рабочей температурой -55 до 125 °C производителя YAGEO [30].

50ppm/k=

Изменение сопротивления RT0603FRE07100RL инструментального усилителя на всем температурном диапазоне составляет:

Исходя из полученного значения максимального изменения сопротивления, можно посчитать максимальное значение сопротивления в схеме инструментального усилителя:

При R=100Ом, инструментальный усилитель усиливаем сигнал в 1000 раз, т. е напряжение на выходе инструментально усилителя будет равным: 1,4В

При сигнал на выходе усилителя будет усилено приблизительно в 1002,5 раз. Следовательно, на выходе инструментального усилителя выходное напряжение равно: 1,4035В

Абсолютная погрешность:, т. е значение напряжения на выходе можно написать:

Относительная погрешность:, где — значение величины, полученное при идеальных условиях

В данной курсовой работе вычислена погрешность тензорезисторов и температурная погрешность усилителя.

Погрешность тензорезисторов в данной ИИС:

1. Абсолютная погрешность: ,

2. Относительная погрешность:

Температурная погрешность инструментального усилителя AD623, используемого в данной курсовой работе

1. Абсолютная погрешность:

2. Относительная погрешность:

Заключение

В данной курсовой работе рассмотрены тензорезистрные датчики силы производителя «Тензо-М». Принцип действия всех датчиков одинаков: преобразование деформации (растяжение/сжатие) в электрический сигнал. В зависимости от целей использования датчика предусмотрены различные его конструкции. По конструкции различают датчики силы балочного типа,"Single point", S образные, мембранного типа «шайба», типа колонна.

Наиболее простым (из рассмотренных выше датчиков), по конструкции является тензорезисорный датчик силы балочного типа. Данный тип датчиков обладает достаточно не большим пределом измерений: от 20 до 200 кг.

РКП датчика балочного имеет значение от 2 ± 0,002 до 2 ± 0,005. Рассмотренный датчик балочного типа обладает комбинированной погрешностью меньшей или равной ±0,040 (при классе точности c1) и меньшей или равной ±0,020 (при классе точности c3). Рабочий диапазон температуры данного датчика составляет от -30°C до +50°C. Ползучесть датчика в интервале времени 30 минут меньше или равна ±0,049 (класс точности с1), и меньше или равна ±0,025(класс точности c3). Материалом датчика является нержавеющая сталь.

Тензорезисторные датчики типа single point обладают высокой точностью, класс точности c3 и не большой ценой. Наибольший предел измерений, рассмотренного в данной курсовой работе датчика силы single point составляет: 5 до 40 кг. РКП данного датчика составляет — 2 ± 5%, а комбинированная погрешность имеет значение: ?±0,0200. Ползучесть датчика в интервале времени 30 минут меньше или равна ±0,0166. Рабочий диапазон температур рассмотренного датчика составляет: от -20°C до +65°C. Материалом датчика является алюминиевый сплав.

Достоинство данного типа датчиков заключается в том, что на одном датчике можно сделать весоизмерительную систему. Крепятся датчики типа «single point» в одну точку.

Стоит также отметить, что конструкции рассмотренных выше датчиков обеспечивают простоту монтажа.

Рассчитана конструкция упругого элемента датчика (высота h, относительная деформация, сила F). Кроме этого осуществлены расчёты основных параметров измерительной цепи, таких как:.

В результате расчетов конструкции датчика получено:

· Высота упругого элемента датчика:

· Относительное удлинение в точке крепления упругого элемента

· Относительное удлинение упругого элемента в местах крепления тензодатчиков:

При l=20мм

При l=70мм

В результате расчетов измерительной цепи было получено:

В рамках данной курсовой работы разработана схема, состоящая из мк, ацп, дисплея, стабилизаторов напряжения, инструментального усилителя.

В качестве стабилизаторов напряжения выбраны следующие микросхемы: KF50 и NCP699SN30T1G. Данные микросхемы являются типовыми и выбраны в связи с тем, что они отвечают необходимым требованиям (.

Выходной сигнал с моста Уитсона имеет малый порядок (Мв), которого недостаточно для корректной обработка на АЦП, вследствие чего необходимо подключить в схему инструментальный усилитель, который усилит сигнал с моста в 1000 раз. В результате действия инструментального усилителя (AD623), на вход АЦП будет подано усиленное выходное значение.

Микроконтроллер (C8051F411), используемый в приведенный схеме, служит для получения и обработки информации с АЦП и вывода на дисплей конечной информации в удобном для пользователя виде.

Обобщенная схема коммутации ИИС показана в приложении 1.

В данной курсовой работе вычислена погрешность тензорезисторов и температурная погрешность усилителя.

Погрешность тензорезисторов в данной ИИС:

Абсолютная погрешность:, т. е значение напряжения на выходе можно написать:

Относительная погрешность:

Температурная погрешность инструментального усилителя AD623, используемого в данной курсовой работе равна:

Абсолютная погрешность:, т. е значение напряжения на выходе можно написать:

Относительная погрешность:

Список литературы

1. Применение миниатюрных датчиков силы [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. rusarticles. com/oborudovanie-statya/primenenie-miniatyurnyx-datchikov-sily-1 545 216. html, дата обращения 2. 10. 2013

2. Датчики силы Kistler [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //dmliefer. ru/ru/content/kistler, дата обращения 2. 10. 2013

3. Российский рынок промышленных датчиков [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //kipinfo. ru/info/stati/?id=181, дата обращения 2. 10. 2013

4. Тензометрия [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //ru. wikipedia. org/wiki/%D2%E5%ED%E7%EE%EC%E5%F2%F0%E8%FF, дата обращения 2. 10. 2013

5. Датчики силы производителя Dacell [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. dacell. ru/index, дата обращения 8. 10. 2013

6. Тензодатчики: Листок -- каталог [Текст] / Разработчик и изготовитель весоизмерительная компания «Тензо -- М»: 2011. — 66 c.

7. Датчики силы «УРАЛВЕС» общее описание [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. uralves. ru/, дата обращения 24. 10. 2013

8. Весоизмерительное оборудование компании ООО «Контрольно-измерительная и Весовая Техника» [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. hbm. ru/, дата обращения 30. 10. 2013

9. Тензодатчик — тензорезисторный датчик [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //vesovoy. info/view_theory. php? id=8, дата обращения 2. 10. 2013

10. Датчики силы, механического напряжения и прикосновения [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. rfe. by/media/kafedry/kaf4/publication/chudovski/datchiki/datchiki-lection-06. pdf, дата обращения 8. 10. 2013

11. Тензорезисторные датчики — выбор по виду [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //ungheni. ru/other/762. html, дата обращения 10. 10. 2013

12. Тензодатчики, внесенные в госреестр средств измерений [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. zetlab. ru/catalog/vibrodats/tenzodat/, дата обращения 12. 10. 2013

13. Весоизмерительное оборудование «УРАЛВЕС» [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. uralves. ru/scales/auto. htm, дата обращения 12. 10. 2013

14. Datasheet на преобразователь KF50 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. datasheetcatalog. net, дата обращения 12. 10. 2013

15. Datasheet на преобразователь NCP699SN30T1G [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. datasheetcatalog. net, дата обращения 12. 10. 2013

16. Datasheet на аналога — цифровой преобразователь AD7452 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. datasheetcatalog. net, дата обращения 12. 10. 2013

17. Datasheet на микроконтроллер C8051F411[Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. datasheetcatalog. net, дата обращения 12. 10. 2013

18. Datasheet на дисплей [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. datasheetcatalog. net, дата обращения 12. 10. 2013

19. Тензометрический датчик [Электронный ресурс] - Режим доступа:

20. Тензометрические датчик «УРАЛВЕС» [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //www. uralves. ru/tenzo. htm, дата обращения 2.1. 2013

Приложение

Схема информационно измерительной системы

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой