Название: Основы проектирования приборов и систем : сборник лабора-торных работ (Шивринский, В. Н.) Жанр: Информационные системы и технологии Просмотров: 5288 |
емкостно-диодная измерительная схемаОсновной трудностью построения измерительных цепей с емкостны- ми датчиками является защита их от наводок. Для этих целей, как сами датчики, так и все соединительные линии тщательно экранируются. Одна- ко экранированный провод имеет емкость Cж.э между жилой и экраном (C 50 пФ/м), которая при неудачном выборе точки присоединения экрана может оказаться включенной параллельно емкости датчика.
Параллельно конденсатору C4 включено сопротивление нагрузки R4, с ко-торого и снимается выходной сигнал Uвых.При положительной полярности напряжения U (указанной на рис. 4.1 без скобок) открывается диод D3 и конденсатор C0 заряжается до напря- жения UCо, которое определяется значением C0. Напряжение UC на кон- денсаторе С вычисляется по формулеUC(t) = UC() – [UC() – UC(0)]e–t/RC, (4.1)здесь t – время;UC(0), UC() – значения UC при t = 0 и t = ;R – сопротивление цепи заряда (прямое сопротивление D1 или D3).При изменении направления U (полярность указана на рис. 4.1 в скобках) будет протекать ток заряда конденсатора C2 по цепи: точка 2, конденсатор C0, диод D4, конденсатор C2, точка 1. При этом конденсатор C2 зарядится до напряжения UC2 = U + UCo, так как источник напряжения U и конденсатор C0 оказались включенными последовательно и согласно.Аналогичным образом напряжение на конденсаторе C1 равноUC1 = U + UCx (где UCx определяется значением CX), но полярность UC1 противоположна полярности UC2. Конденсатор C1 разряжается по цепи R3, R4, R1, а конденсатор C2 – по цепи R2, R4, R3.Таким образом, токи разряда конденсаторов C1 и C2 протекают через сопротивление нагрузки R4 встречно, и выходной сигнал Uвых будет про- порционален разности напряжений UC1 и UC2, т. е. в конечном счете, про- порционален разности емкостей конденсаторов CX и C0.В схеме сохраняется шунтирующее действие пар диодов D1, D2 и D3, D4, но так как сопротивления резисторов R1, R2 намного больше прямого сопротивления диодов, причем для шунтирующих токов резисторы R1, R2 оказываются включенными последовательно, то это действие намного меньше, чем в емкостно-диодной схеме [7].Нестабильность выходного напряжения определяется неидентично-стью падения напряжения на диодах, поэтому диоды должны тщательно подбираться. Чтобы избежать шунтирования емкостей датчика паразит-ными емкостями, диодная сборка помещается в корпусе датчика.Контрольные приборы: генератор Г5-75 (амплитуда импульсов поло- жительной полярности 9,999 В, скважность 2); вольтметр В7-34А (предел измерения =10 В, или =100 В для U >10 В, n*T1, n = 2 нажатия); образцо- вый конденсатор переменной емкости, набор резисторов и конденсаторов, включаемых в схему с помощью переключателей.Значения сопротивлений резисторов R1, R2 и емкости образцового конденсатора С0, в зависимости от положения переключателей, приведены в таблице 4.1 (С0 – без учета емкости соединительных проводов).Были проведены предварительные исследования емкостно-диодной схемы рис. 4.1. Определялись статические и амплитудно-частотные харак- теристики измерительной схемы при разных значениях СX и R1 = R2 = R.Таблица 4.1Значения сопротивлений резисторов и емкости образцового конденсатора
Результаты исследований представлены в таблицах 4.24.3. Их анализ позволил сделать выводы о выборе сопротивлений резисторов и частоты напряжения питания.Схема обладает «резонансными» свойствами, т. е. при постоянных значениях СX и R1 = R2 = R выходной сигнал Uвых достигает максимального значения (в таблицах выделено жирным шрифтом) при определенном зна-чении частоты f напряжения питания. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)измерительной схемы при R1 = R2 = 9,2 кОм Таблица 4.2
АЧХ измерительной схемы при R1 = R2 = 88 кОм Таблица 4.3
Обобщенные амплитудно-частотные характеристики схемы при раз-
Здесь кривая 1 получена при значении измеряемой емкости СX1,
кри- вые 2, 3, 4 – при СX2, причем СX1 < СX2, и разном значении
сопротивлений. Из рисунка 4.2 следует, что выходной сигнал увеличивается с
ростом СX, зависит от частоты напряжения питания и значений сопротивлений рези-
сторов R1, R2. Такая измерительная схема может быть настроена на опти- мальное
значение частоты fопт, когда выходной сигнал имеет максималь- ное значение при различных
СX (кривые 1, 2) и мало зависит от частоты напряжения питания (конечно, в
некоторых пределах изменения f).Этот эффект обнаруживается только для
определенного значения со- противлений резисторов R1 и R2. При увеличении
сопротивлений опти- мальное значение частоты смещается влево (кривая 3, f3),
при этом мак- симальное значение выходного напряжения уменьшается. При уменьше-
нии сопротивлений оптимальное значение частоты смещается вправо (кривая 4, f4),
при этом максимальное значение выходного напряжения увеличивается. Таким
образом, схема, настроенная на оптимальную час- тоту при одном значении СX
(кривая 1), не будет оптимальной для других значений СX (кривые 3, 4).Чтобы
определить оптимальные значения f и R для емкостного топли-вомера, необходимо
при двух значениях СX (СX2 = 2C0 и CX1 несколько большей C0) снять
экспериментальные зависимости частоты, при которой выходной сигнал принимает
максимальное значение (fUm), от сопротивле- ния R. Такие обобщенные
характеристики приведены на рис. 4.3. Здесь кривая 1 получена для СX1 несколько большей C0, а кривая 2 – для СX2 = 2C0. Кривые 1 и 2 пересекаются в точке, соответствующей опти- мальным значениям частоты fопт и сопротивления Rопт.При этом выполняется условие T/ = 3,5, где = RоптCX2; T = 1/fопт. Все подобные характеристики для (CX1 < CX < CX2) находятся между кривыми1 и 2 и пересекаются в той же точке.
2) определить амплитудно-частотные характеристики
измерительной схемы при разных значениях СX и R1 = R2 = R;3) оценить
статические характеристики измерительной схемы при R1 R2;Построить
статические характеристики измерительной схемы Uвых = f(С),
амплитудно-частотные и регулировочные характеристики (подобные
рис. 4.24.4). Сделать выводы по результатам исследований.5. Датчик
уклона автомобильной дороги на основе физического маятникаДатчик уклона
автомобильной дороги представляет собой физический маятник, угол поворота
которого относительно корпуса прибора измеря- ется с помощью емкостного
преобразователя. Емкостный преобразователь изготовлен по типу [8], где роль
указателя выполняет сам маятник. Сово- купность электродов 2, 3 датчика (рис.
5.1) образует слой на поверхности диэлектрика 1, разделенный пазом 4 на две
части. Паз между электродами выполнен с возможностью дифференциального и
монотонного изменения емкостей между маятником 5 и каждым из электродов. Если мостовая измерительная схема уравновешена в точке
равенства емкостей, то расположение этой точки на выходной характеристике не
бу- дет зависеть от изменения зазора между маятником и электродами. Изме- нение
выходной характеристики в этом случае будет носить мультиплика- тивный характер
с центром в точке равновесия схемы.Чтобы уменьшить влияние изменения
зазора между маятником и электродами в других точках градуировочной
характеристики на выход- ной сигнал емкостного преобразователя, датчик (рис.
5.1) дополнен еще одной платой 1, установленной с противоположной стороны
маятника. Одноименные электроды 2 и 3 двух плат электрически соединены между
собой. Расчетная схема такого датчика, аналогичная схеме дифференци- ального
емкостного преобразователя с переменной активной площадью пластин [18, рис.
245, в], приведена на рис. 5.2, где приняты те же обозна- чения, что и на рис.
5.1 (2', 3' – электроды второй платы, аналогичные электродам 2, 3).
Рис. 5.5. Изменение емкости датчика от расстояния между пластинами и маятником при последовательном включении C1, C2Суммарная емкость датчика CА (CБ) при последовательном включении C1, C2 не зависит от зазоров d1, d2 и определяется лишь площадью пере- крытия пластин S и общим расстоянием между неподвижными пластина- ми. Для такого датчика не нужен токоподвод к маятнику.Если выполнить соединение, указанное на рис. 5.4 пунктирной лини- ей, то конструкция датчика упрощается: электроды 2', 3' можно выполнить в виде одной пластины. Однако чувствительность датчика с последова- тельным включением примерно в 4 раза меньше, по сравнению со схемой рис. 5.2, когда d1 = d2. Для практического применения наиболее удобна схема датчика рис. 5.4.При этом были сделаны допущения, что маятник 5 из-за наличия осе- вого зазора имеет возможность малого перемещения вдоль оси, перпенди- кулярной пластинам 2, 2' (3, 3'), т. е. плоскость маятника остается парал- лельной плоскостям пластин 2, 2'. Если плоскость маятника повернута от- носительно пластин 2, 2' (рис. 5.6), то для плоского конденсатора это эк- вивалентно увеличению толщины маятника с t до t'. При этом зазор d1 уменьшается до d1', а d2 – до значения d2', что приводит к кажущемуся уменьшению расстояния d между неподвижными пластинами.Для снижения влияния этого эффекта в лабораторной работе маятник изготовлен из диэлектрика, армированного электропроводным материа- лом. Толщина электропроводных элементов небольшая, поэтому при пе- рекосах маятника кажущееся изменение его толщины небольшое. Это де- монстрируется на рис. 5.6, где t'' << t'. Указанная погрешность возникает как за счет перекоса маятника при креплении его на оси вращения, так и за счет перекоса самой оси относительно неподвижных
электродов. В первом случае (при армированном маятнике и изменении осевого
зазо- ра) погрешность незначительна (на рис. 5.6 маятник перемещается вдоль
направления стрелки А). |
|