Теоретические основы измерительных и информационных технологий

С изменением температуры окружающей среды величины сопротивления рабочего и компенсирующего датчиков будут изменяться на одинаковую величину и с одинаковым знаком. Вследствие того что указанные датчики включены в соседние, а не противоположные плечи моста, температурные изменения сопротивлении будут компенсироваться и не вызовут изменений тока в индикаторном приборе.ВЫБОР И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ПРИБОРАНа рисунке 20 показана разработанная структурная схема прибора.В качестве измерительной цепи выбрана мостовая измерительная цепь, имеющая ряд преимуществ: просто позволяет получить нулевой выходной сигнал (напряжение, ток) при нулевом значении измеряемой величины d; позволяет уменьшить погрешность и увеличить чувствительность преобразования.Рисунок 20 – Структурная схема прибора Измеряемая величина d (линейное перемещение объекта) связана со световой интенсивностью, преобразуется измерительным преобразователем (ИП) с коэффициентом преобразования К1 в ток I. Ток I преобразуется мостовой схемой с коэффициентом преобразования К2 в напряжение Um, которое усиливается и преобразуется посредством ОУ с коэффициентом преобразования К4, которое поступает на вход микроконтроллера (МК) выполняющего функцию обработки и вывода результатов измерений. Уравнение преобразования прибора:.(4)Погрешность прибора складывается из погрешности вносимой каждым блоком:.(5)Согласно ТЗ основная приведенная погрешность не должна превышать 1%. На основе анализа метрологических характеристик ПИП и их измерительных цепей определяем требования к погрешности датчика и измерительной цепи .Из анализа характеристик различных операционных усилителей, можно задать, что погрешность узла не превышает . Погрешность микроконтроллера становится . Суммарная погрешность в этом случае равна 1%. Тем не менее, погрешности микроконтроллеров могут быть гораздо меньше. Так, погрешность ADUC812BSZ не превышает 0,2%. Приведенная погрешность в этом случае .Запас по погрешности может быть отдан разрабатываемой схеме питания измерительного устройства, которая, в данном случае не должна превышать значения 0,2%.Из представленного выше ясно, что коэффициент преобразованияИП является линейным:.(6)Согласно формуле (3): . При мощности излучающего светодиода в 5 Вт (Φ=450 лм), имеем К1 =405 лм/м, т.е. при линейном перемещении объекта d = 1 мм, световой поток изменится на 0,405 лм, а обратный ток в фотодиоде на 0,36 мА, при темновом токе в фотодиоде 10 мкА.При этом выходное напряжение мостовой измерительной цепи будет ΔUm = UK – U0 (UK – напряжение, соответствующее максимальному значению измеряемой толщине d, U0– напряжение, соответствующее минимальному значению измеряемой толщине d).Ранее уже было посчитано, что Δx = 0,4 мм. При этом дискрете перемещения напряжение Um = 0,144 мВ. Коэффициент преобразования равен К2 = ΔUm/ΔI[B/А]. Учитывая, что изменение тока мало, изменение выходного напряжения ΔUm мостовой цепи будет также малым, т.е. коэффициент преобразования К2 может быть меньше единицы. Пусть коэффициент преобразования К2 = 0,5.РАСЧЕТ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ПРИБОРАДля функционирования и правильной работы устройства немаловажным фактором является выбор источника питания.Мощность[Вт] рассчитывается по следующей формуле:,(7)В измерительном устройстве используется 2 фотодиода и 1аппаратная плата и 1 светодиод. Исходя из характеристик каждого модуля и согласно (7), потребляемая мощность устройства будет равна:.(8)При расчете мощности мы используем среднее из требуемого значение входного напряжения на фотоэлектрическом датчике. Пиковая мощность:(9)Формула (4) дает ожидаемую пиковую мощность измерительного устройства при нормальном функционировании. Блок питания обязан обладать минимум двумя шинами со значениями напряжений: 5 и 15 В.Фактически меньшее значение напряжения может быть получено параллельной шиной с шунтирующем сопротивлением. На рисунке 21 показана принципиальная схема подходящего блока питания.Рисунок 21 – Принципиальная схема блока питанияНа схеме блокапитания показанной на рисунке 21 используются линейные стабилизаторы напряжения LM7815, работающие на мощности до 35 Вт, что полностью удовлетворяет пиковым значениям мощности (9) и дают необходимый существенный запас по этому параметру.Важно указать, что предложенный блок питания может являться источником дополнительных погрешностей в измерительном устройстве. Это связано с использованием трансформатора, питаемого от сети переменного тока и выпрямительного диодного моста. При необходимости для минимизации этого вклада в общую погрешность, есть варианты использование аккумуляторной батареи в качестве источника напряжения. Далее произведем расчет параметров выпрямителя. Соотношение между выпрямленным напряжением Uвып и действующим значением напряжения, поступающим на входе диодного моста Uмост:.(10)Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов и его максимальное значение определяется амплитудным значением напряжения Uмост:.(11)Коэффициент пульсаций выходного напряжения: ε = 0,67. Емкости фильтров определяются по следующей формуле:.(12)Исходя и параметров выпрямителя в качестве диодного моста можно использовать схему из диодов 1N4006 с относительной погрешностью 0,1%, а в качестве конденсатора К50-35-6,3В-4700мкФ.Как указывалось выше, для достижения максимального быстродействия необходимо использовать операционный усилитель с токовой обратной связью. Основным преимуществом усилителей с токовой обратной связью является широкая рабочая полоса частот и быстрота срабатывания. Усилители, использующие обратную связь по напряжению, имеют коэффициент усиления, который начинает падать даже при совсем низких частотах (зачастую от 10 Гц) со скоростью спада в 20 дБ на декаду. Такое их поведение приводит к большим погрешностям на высоких частотах. Усилители с обратной связью по току не имеют таких ограничений, поэтому они обеспечивают наименьшие искажения.Основное их назначение — высокоскоростные схемы, если для усилителей с ОС по напряжению пределом являются частоты в примерно 400 МГц, то усилители с токовой связью имеют рабочую полосу до нескольких гигагерц. В качестве операционного усилителя был выбран LMH6703, с относительной погрешностью менее 0,1%.Если фотодетекторы включены вместо Z, то уравнение преобразования схемы будет иметь вид:,(13)гдеR1,R2,R3,R4 – сопротивления измерительной схемы (см. рисунок 17 и 19) формирующие сопротивление нагрузки выходного каскадаR. В итоге:.(14)ВЫБОР ВЫХОДНОГО ПРИБОРАВ качестве выходного прибора выберем 8-битный микроконтроллер с погрешностью не более 0,1%, для реализации устройства возьмем микроконтроллер ADUC812BSZ с характеристиками: диапазон температур от -40°C до +85°C; разрядность АЦП 12 бит; номинальное рабочее напряжение 0-5 В; допустимое входное напряжение от внешнего источника 7–12 В; ток потребления 3мА; Для вывода данных используем два семисегментных индикатора. Произведем расчет погрешности дискретизации..(15)Дополнительным источником погрешности может служить аппаратная плата, на которой выполняется обработка показаний датчиков. В этом контексте необходимо учесть ошибку на округлении входной величины, тем не менее, даже при использовании арифметики одинарной точности, известно, что числа одинарной точности с плавающей запятой обеспечивают относительную точность 7-8 десятичных цифр в диапазоне от 10–38 до примерно 1038. АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКВ курсовом проекте выбрано два первичных преобразователя с суммарной погрешностью равной 0,2%, источник сигнала привносит еще 0,1% погрешности и присутствуют резисторы с погрешностью 0,01%, амплитудный детектор и операционный усилитель также имеют свои погрешности, что вызывает необходимость проанализировать погрешность измерительной цепи. Анализируя уравнение преобразования, определим суммарную погрешность измерительной цепи. Для этого воспользуемся упрощенный подходом, просуммируем все составляющие приведённый погрешности..(16)В формуле (16) представлены следующие величины, в порядке их появления в формуле:Приведенная погрешность ПИП;Приведенная погрешность тока в фотодиоде;Приведенная погрешность сопротивлений выходного каскада;Приведенная погрешность мостовой измерительной схемы;Приведенная погрешность операционного усилителя;Приведенная погрешность дискретизации выходного прибора;Приведенная погрешность цепи питания прибора.Итак, имеем:.(17)ЗАКЛЮЧЕНИЕВ данном курсовом проекте был разработан измерительный прибор, который полностью соответствует предложенному техническому заданию.В ходе работы над проектом было сделано следующее:Выбран подходящий ПИП;Сконструированная измерительная схема;Было спроектировано отчетное устройство на микроконтроллере;Произведен расчет блока питания;Проанализированы допустимые режимы работы измерительного устройства, сверены с требованиями ТЗ;Приведен анализ метрологических характеристик.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫКиреенков, В.Е. Разработка и исследование методов измерения линейных перемещений объектов на основе дифракции Френеля: дисс. кан. тех. наук: 05.11.01 / Валерий Евгеньевич Киреенков. -Санкт-Петребург, 2016.Патент РФ № 0002654363, 17.05.2018 Фотоэлектрический датчик линейных перемещений и устройство цифровой визуализации измеренных величин / Ильченко Е.К., Разумов В.Н., Табаров Г.З.Щепетов, А.Г. Основы проектирования приборов и систем : учебник. – М.: Юрайт, 2016.Демидов, Е.С. Карзанов, В.В. Сдобняк, В.В. Фоторезисторы. Учебно-методический материал. Нижний Новгород: Нижегородский государственный университет, 2010. – 25 с. Allen-Bradley. Фотоэлектрические датчики Photoswitch. Руководство, 2019.Панченко, Б.А. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн неоднородными сферическими телами : монография – М.: Радиотехника, 2012.