close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

BakinDaleckiy

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ
Методические указания
по выполнению лабораторных работ по курсу
«Датчики и преобразователи информационноизмерительных систем»
Санкт-Петербург
2015
Составители: Е. А. Бакин, А. А. Далецкий, В. И. Исаков,
Д. Б. Шабашев
Рецензент – доктор технических наук, профессор С. И. Зиатдинов
Описаны методика выполнения лабораторной работы по дисциплине «Датчики и преобразователи измерительных и информационных систем». Приведены краткие теоретические сведения по принципу действия датчиков давления, порядок выполнения лабораторной
работы, описание лабораторного стенда.
Издание предназначено для студентов, обучающихся по направлению 11.03.04 – «Электроника и наноэлектроника», и могут быть также использованы для обучения студентов по другим направлениям.
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка Ю. В. Умницына
Подписано к печати 21.01.15. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0,87. Тираж 100 экз. Заказ № 561.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2015
1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДАТЧИКА  
ДАВЛЕНИЯ МРХ4250АР
1.1. Общие технические характеристики
В лабораторной установке используется датчик абсолютного
давления сухого газа МРХ4250АР фирмы Motorola [1]. Он обладает
следующими особенностями:
1. Диапазон измерений от 0 до 250 кПа (от 0 до 2.5 атмосфер).
2. Малые габариты и вес (3×2.8 см);
3. Напряжение питания 5 В;
4. Возможность сопряжения с микропроцессорными модулями.
5. Зависимость показаний датчика от напряжения источника
питания.
На рис. 1 представлено семейство статических характеристик
исследуемого электронного датчика давления. Видно, что чем
меньше, либо больше напряжение источника питания, тем ниже,
либо выше располагается статическая характеристика.
Uвых, В
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
max
typ
min
P, кПа
0
40
80
120
160
200
240
Рис. 1. Семейство статических характеристик датчика
3
Активный
элемент
S−
Границы
вытравленной
диафрагмы
S
Тензорезистор
с отводами
напряжения
Отвод
напряжения
4
23
Рис. 2. Чувствительный элемент X-duсer
(выводы:1. Земля 2. +Vout 3.Vs 4.-Vout)
1.2. Устройство и принцип работы датчика давления
Датчик работает следующим образом [2]. К отводам 1 и 3 прикладывается разность потенциалов. Ток возбуждения протекает по
тензорезистору, а подаваемое к диафрагме давление, воздействуя
на нее, изгибает резистор. Изгиб приводит к возникновению в тензорезисторе поперечного электрического поля. Как следствие, проявляется как напряжение на отводах 2 и 4, соединенных со средней
точкой резистора (см. рис. 2). Чем больше приложенное давление,
тем больше будет разность потенциалов между точками 2 и 4.
Тензодатчик является интегральной частью диафрагмы и, следовательно, его температурный коэффициент не отличается от
температурного коэффициента диафрагмы. Выходные параметры
самого тензодатчика все же зависят от температуры и для обеспечения расширенного диапазона температур необходима температурная компенсация. Для диапазона температур от 0 до 85°C достаточно простой резистивной цепочки, реализованной на том же
кристалле.
4
2. УСТРОЙСТВО ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
2.1. Состав
На рис. 3 представлен внешний вид электронного датчика давления, использованного в лабораторной установке.
Датчик имеет 6 выводов, 3 из которых выводы 4, 5 и 6 не используются в данной лабораторной установке. Используется 3-й для подачи питания, 2-й – земляной, с 1-го снимается выходной сигнал.
На рис. 4 представлена схема включения исследуемого датчика.
В данной схеме диод VD1 предназначен для защиты схемы от
переполюсовки. Конденсатор С1 осуществляет фильтрацию по питанию, а С2 – сглаживание выходного сигнала.
2
3
VCC
1
VOUT
GROUND
4 5
6
Рис. 3. Внешний вид исследуемого датчика
P
VD1
+5 В
C1
U Вых
MPX4250AP
C2
Рис. 4. Схема включения исследуемого датчика
5
2
8
1
3
V
4
5
6
7
Рис. 5. Структурная схема лабораторной установки
14
8
10
14
8
16
15
2
3
4
12
9
5
6
7
11
1
13
Рис. 6. Компоновка лабораторного макета по изучению
электронного датчика давления
6
На рис. 5 представлена общая структурная схема лабораторной
установки. В ее состав входят:
1. Рабочий объем.
2. Компрессор.
3. Электронный датчик давления.
4. Грубый манометр.
5. Эталонный манометр.
6. Вольтметр.
7. Источник питания.
8. Клапан стравливания.
На рис. 6 представлена компоновка лабораторной установки.
В ее состав входят следующие составляющие:
1. Корпус лабораторной установки.
2. Кнопка включения (выключения) установки.
3. Источник питания.
4. Электронный датчик давления.
5. Компрессор.
6. Кнопка включения (выключения) компрессора.
7. Грубый манометр.
8. Эталонный манометр.
9. Переключатель напряжения источника питания.
10. Рабочий объем.
11. Клеммы для подключения внешнего вольтметра.
12. Переключатель режима.
13. Клапан стравливания (постепенный).
14. Клапан стравливания (мгновенный).
15. Соединительная трубка компрессора с рабочим объемом.
16. Соединительная трубка рабочего объема с датчиком.
2.2. Функционирование лабораторной установки
Воздух, нагнетаемый компрессором, поступает через соединительную трубку в рабочий объем. Там величина создаваемого давления фиксируется эталонным манометром. Так же она измеряется обычным манометром. Далее давление поступает на датчик
через вторую соединительную трубку. Электронный датчик фиксирует ее и преобразует в аналоговый выходной сигнал – напряжение.
На внешней панели лабораторной установки располагается переключатель режимов на два положения. Если переключатель режима находиться в положении 1, вольтметр показывает выходное
7
напряжение датчика, которое соответствует давлению, зафиксированному в данный момент времени в рабочем объеме. В положении
2 вольтметр покажет напряжение источника питания лабораторной установки.
Левее располагается переключатель напряжения источника питания. Данный переключатель имеет 4 положения, каждое из которых соответствует напряжению источника питания от 0 до +5 В.
Меняя положение переключателя от 1 до 4, напряжение уменьшается.
При необходимости снизить величину давления в рабочем объеме, в лабораторной установке предусмотрено два клапана стравливания: постепенный для медленного стравливания и мгновенный
для быстрого.
8
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
3.1. Включение установки
До начала выполнения лабораторной работы, необходимо включить и провести контроль функционирование лабораторной установки и используемого в ней электронного датчика давления. Для
этого необходимо выполнить следующие действия:
1. Вставить черный кабель в розетку, для включения лабораторной установки в сеть.
2. Включить установку, нажав соответствующую кнопку включение (выключение).
3. Включить компрессор, нажав соответствующую кнопку
включение (выключение).
4. Нажать кнопку включения (выключения) компрессора. Не
отпускать, до тех пор, пока давление в рабочем объеме не достигло
2.5 атмосфер.
5. Установить переключатель режима в положение 2, и зафиксировать соответствующую величину выходного напряжения.
6. Установить переключатель режима и напряжения источника
питания в положение 1. Зафиксировать величину напряжения питания.
7. Установить переключатель напряжения источника питания
в положение 2, затем 3 и 4. Зафиксировать величины напряжения
питания.
8. Медленно вывернуть (в левую сторону), а затем поворачивать
в правую сторону клапан стравливания (постепенный).
9. Фиксировать уменьшение величины давления, и соответствующей ей выходного напряжения.
10. Опустить ручку клапана стравливания (мгновенного) вниз.
Фиксировать отсутствие давления.
Выполнив все пункты и убедившись в правильной работе установки, переходим к выполнению лабораторной работы.
3.2. Ход выполнения лабораторной работы
Выполнение лабораторной работы состоит из двух этапов. На
первом этапе производится снятие статической характеристики
датчика с целью изучения зависимости выходного сигнала от текущего давления. Для этого необходимо выполнить следующие действия:
9
1. Нажать кнопку включение (выключение) компрессора, и, не
отпускать, пока величина давления, показываемая эталонным манометром, не достигнет 2,5 атмосфер.
2. Зафиксировать показания давления Pýòàëîí эталонного и P2
грубого манометра, а так же соответствующее им выходное напряжение Uâûõ .
3. Медленно выкручивать (в левую сторону), а затем вкручивать
(в правую сторону) клапан стравливания (постепенный). Зафиксировать показания давления эталонного и грубого манометра, а так
же соответствующее выходное напряжение показываемое вольтметром.
4. Повторять действия, проделанные в пункте 3, пока не будет
зафиксировано 10 значений величин выходного напряжения датчика, давление, фиксированное эталонным манометром и давление, фиксированное грубым манометром.
5. Записать полученные значения параметров в табл. 1.
6. Опустить ручку клапана стравливания (мгновенного) вниз.
7. Рассчитать значения давления, показываемые электронным
датчиком по следующей формуле:
=
PÝ 49,096 Uâûõ U
ïèò
+ 100.
8. По данным табл. 1 построить статическую характеристику
исследуемого датчика Uâûõ = f ( Pýòàëîí ).
9. Проанализировать полученную характеристику, сделать выводы.
10. Сравнить и проанализировать показатели манометров.
На втором этапе лабораторной работы необходимо произвести
анализ зависимости точности работы датчика от стабильности пиТаблица 1
Статическая характеристика электронного датчика давления
№
1
…
10
10
Pýòàëîí , кПа
P2 , кПа
Uâûõ , В
PÝ , кПа
тающего напряжения. Для этого необходимо выполнить следующие действия:
1. Установить переключатель режима в положение 1.
2. Установить переключатель напряжения источника питания
в положение 1, затем 2, 3 и 4. Зафиксировать величины напряжения источника питания Uпит.
3. Нажать кнопку включение (выключение) компрессора, и не
отпускать (так как она бесконтактная) пока величина давления,
показываемая эталонным манометром, не достигнет 2,5 атмосфер.
4. Установить переключатель режима в положение 2.
5. Зафиксировать показания давления Pýòàëîí эталонного манометра, а так же соответствующее выходное напряжение Uâûõ , для
каждого значения напряжения источника питания, меняя положение переключателя.
6. Медленно выкручивать (в левую сторону), а затем вкручивать
(в правую сторону) клапан стравливания (постепенный). Зафиксировать показания давления эталонного и грубого манометра, а так
же соответствующее выходное напряжение показываемое вольтметром, для каждого значения напряжения источника питания, меняя положение соответствующего переключателя.
7. Повторять действия, проделанные в пункте 3, пока не будет
зафиксировано по 5 значений величин выходного напряжения
датчика, и давление, фиксированное эталонным манометром, для
каждой величины напряжения источника питания.
8. Занести полученные значения параметров в табл. 2.
9. Построить по данным табл. 2 семейство статических характеристик Uâûõ = f ( Pýòàëîí ), для каждого значения напряжения питания (на одном графике).
10. Проанализировать построенные графики. Сделать выводы.
11. Определить диапазон значений напряжения питания датчика, отметить аномальное поведение. Сделать выводы.
Таблица 2
Семейство статических характеристик датчика давления
№
Uïèò , В
Pýòàëîí , кПа
1
2
3
Uâûõ , В
4
11
3.3. Выключение установки
Выполнив лабораторную работу, необходимо выключить установку, выполняя следующие действия:
1. Опустить ручку стравливателя мгновенного для очистки рабочего объема.
2. Поставить переключатель напряжения источника питания
в положение 1.
3. Поставить переключатель режима в положение 2.
4. Выключить установку, нажав кнопку включение (выключение) установки.
5. Убедиться, что установка выключена, нажатием кнопки
включение (выключение) компрессора.
6. Вынуть кабель питания лабораторной установки из розетки.
3.4. Содержание отчета
В отчете должны содержаться:
1. Цель работы.
2. Схема включения датчика и структурная схема лабораторной
установки.
3. Таблицы результатов измерений полученных в процессе выполнения лабораторной работы.
4. Графики статической характеристики и семейства статических характеристик.
5. Выводы.
12
4. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Дать определение датчикам давления.
2. Привести назначение и классификацию современных датчиков давления.
3. Сформулировать преимущества электронных датчиков давления над механическими.
4. Перечислить методы преобразования давления в электрический сигнал, дать краткую характеристику каждому из них.
5. Описать принцип действия пьезоэлектрического метода преобразования давления в электрический сигнал.
6. Пояснить конструкцию и схему включения датчика. Объяснить назначение электронных компонентов в схеме.
7. Проанализировать полученные характеристики, объяснить
поведение характеристик.
8. Объяснить причину зависимости электронного датчика давления от питающего напряжения.
9. Привести пример реализации понижения питающего напряжения в макете.
10. Привести примеры применения исследуемого в работе электронного датчика.
13
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Motorola МРХ4250АР: Integrated Silicon Pressure Sensor for
Manifold Absolute Pressure, Altimeter or Barometer Applications OnChip Signal Conditioned, Temperature Compensated and Calibrated.
Datasheet. 2001.
2. Матвеев А. В., Бобронников В. Т. Современная элементная
база систем управления, М.: Изд-во МАИ, 2007.
3. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден; пер. с англ. Ю. А. Заболотная. М.: Техносфера, 2005. 588 с.
4. Осипович Л. А. Датчики физических величин: монография.
М.: Машиностроение, 1979. 159 с.
5. Воробьев Е. А. Датчики-преобразователи информации: учеб.
пособие. СПб.: ГУАП, 2001. 42 с.
6. Виглеб Герхард. Датчики: устройство и применение; пер.
М. А. Хацернов. M.: Мир, 1989. 196 с.
14
СОДЕРЖАНИЕ
1. Устройство и принцип работы датчика давления
МРХ4250АР..............................................................................
3
2. Устройство лабораторной установки..........................................
5
3. Порядок выполнения лабораторной работы................................
9
4. Вопросы для самопроверки......................................................
13
Рекомендуемая литература.........................................................
14
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
2 617 Кб
Теги
bakindaleckiy
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа