Измерение амплитуды вибраций

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Развитие электроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно - технического прогресса.

В настоящее время электрическая техника находит широкое применение для управления различными устройствами, в том числе, и для создания измерительных приборов и сложных автоматизированных систем контроля.

Применение операционных усилителей в электронике позволяет значительно упростить изготовление измерительных приборов, добавление лишь нескольких внешних компонентов делают из операционных усилителей конкретную схему аналоговой обработки, что позволяет сделать производство более дешевым. При этом возможно максимально изменить схему прибора и получить совершенно новый прибор.

Целью данной работы является проектирование электронного измерительного преобразователя для измерения амплитуды вибраций.

1. Анализ исходных данных

В данном курсовом проекте требуется разработать электронный измерительный преобразователь для измерения амплитуды вибраций на основе операционного усилителя К140УД20, резисторов ряда Е192 допуском (для полосового фильтра - с допуском ) и первичного измерительного преобразователя - оптико-электронного.

Измеряемая физическая величина: амплитуда.

Диапазон измерения физической величины: от 0 до 3 мм.

Первичный измерительный преобразователь (ПИП): фотодиод ФД8К, работающий в фотодиодном режиме.

Диапазон измерения параметра ПИП, функционально связанного с измеряемой величиной: .

Выходной сигнал электронного измерительного преобразователя: .

Частота выходного сигнала генератора: .

Полоса пропускания полосового фильтра: .

Источник питания: двуполярный со стабилизированным выходным напряжением и индикатором включенного состояния.

Напряжение питания прибора: сетевое, переменное В.

электрический генератор стабилизатор



2. Разработка структурной схемы прибора

На начальном этапе проектирования прибора необходимо разработать его структурную схему. На структурной схеме прибора показываются блоки, которые войдут в последующем в электрическую принципиальную схему. Структурная схема прибора применяется для изучения принципов работы при наладке, регулировании, контроле и ремонте. Структурная схема прибора представлена на чертеже 1-54.01.02 00.00.000 Э1.

Опишем назначение каждого элемента структурной схемы и обозначения:

ИОК - измерительный оптический канал, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина Х (амплитуда);

ООК - опорный оптический канал, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина Х (амплитуда);

ФП1, ФП2 - фотоприёмники измерительного и опорного канала соответственно;

ДУ - дифференциальный усилитель, электронный усилитель, применяющийся для усиления слабомощных электрических сигналов;

ПФ - полосовой фильтр, электронный фильтр, который пропускает частоты, находящиеся в нужном диапазоне и отбрасывает все остальные частоты;

Пр.В - прецизионный усилитель, устройство, которое позволяет осуществить выпрямление переменных сигналов с амплитудами близким к 0;

АД - амплитудный детектор, аналоговое запоминающее устройство для отслеживания и хранения максимума входного сигнала в течение заданного промежутка времени с заданной точностью до прихода сигнала более высокого уровня;

ПН - повторитель напряжения;

ГПН - генератор прямоугольных напряжений, устройство, позволяющее получать электрический сигнал, имеющий заданные характеристики.

СИП - стабилизированный источник питания, устройство, предназначенное для обеспечения электрическим питанием;

ИИ - источник излучения;

ПНТ - преобразователь напряжения в ток;

- исходный поток излучения;

- поток, отправленный на измерительный оптический канал, после прохождения через разделяющее устройство;

- поток, отправленный на опорный оптический канал, прошедший через разделяющее устройство и уголковый отражатель;

Работа устройства, в соответствии с представленной структурной схемой, осуществляется следующим образом: источник излучения генерирует переменный поток излучения, который разделяется на две составляющие, проходящие соответственно через ИОК и ООК; на поток излучения , проходящий через ИОК, воздействует контролируемый параметр Х (амплитуда вибраций), изменяя его мощность, попав на ФП1 поток преобразуется в электрический сигнал напряжения, которое усиливает ДУ; усиленный выходной сигнал проходит далее через ПФ, который пропускает полезный сигнал и ослабляет сигналы, являющиеся помехами; после ПФ, переменный сигнал попадает на Пр.В., в котором знакопеременный сигнал преобразуется в напряжение одного знака; далее АД формирует напряжение близкое к максимальному значению, выпрямленного напряжения; для согласования выхода АД с устройствами, на которые будет подаваться выделенный сигнал, используется ПН; часть потока излучения , направленного на ООД и далее попадает на ФП2, изменение этой части происходит под воздействием различных влияющих величин, дестабилизирующих факторов, также попадающих на ФП2, выходной сигнал которого поступает на ПНТ для отслеживания происходящих изменений потока излучения и возвращающий его в исходное состояние (по мощности); для получения переменного электрического сигнала заданной частоты, в устройство используется генератор; питание всего устройства используется стабилизированный источник питания, выравнивающий напряжение до заданной величины.



3. Разработка электрической принципиальной схемы

3.1 Выбор и описание элементов

Микросхема операционного усилителя К140УД20.

Микросхема представляет собой быстродействующий операционный усилитель, имеющий защиту от превышения напряжения по входу и схему защиты выхода от короткого замыкания, с внутренней частотной коррекцией. Операционный усилитель К140УД20 изображен на рисунке 1. Условное графическое обозначение микросхемы представлено на рисунке 2. В таблице 1 приведены номинальные электрические параметры операционного усилителя, а в таблице 2 указаны предельно допустимые режимы эксплуатации.

Рисунок 1 Корпус К140УД20 типа 201.14

Рисунок 2 Условное графическое обозначение

Назначение выводов операционного усилителя:

1, 7 - вход инвертирующий;

2, 6 - вход неинвертирующий;

13, 9 - напряжение питания ;

4 - напряжение питания ;

12, 10 - выход;

Таблица 1 Электрические параметры

Напряжение питания	(5...20) В
Максимальное выходное напряжение	12 В
Напряжение смещения нуля	5 мВ
Входной ток	не более 100 нА
Разность входных токов	не более 30 нА
Ток потребления	не более 3 мА
Коэффициент усиления напряжения	не менее 25000
Скорость нарастания выходного напряжения	0,3 В/мкс
Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений	не менее 70 дБ

Таблица 2 Предельно допустимые режимы эксплуатации

Напряжение питания (с учетом пульсаций)	20 В
Входное синфазное напряжение	не более 15 В
Температура окружающей среды	-10...+70 ° C

Микросхема КР1006ВИ1.

Микросхема представляет собой таймер для формирования импульсов. Микросхема предназначена для применения в стабильных датчиках времени, генераторах импульсов, широтно-импульсных, частотных и фазовых модуляторах, преобразователях напряжения и сигналов, ключевых схемах, исполнительных устройствах в системах управления, контроля и автоматики. Электрические параметры приведены в таблице 3. Корпус типа 2101.8-1 и 4309.8-A изображен на рисунке 3. Схема включения изображена на рисунке 4. Предельно допустимые режимы эксплуатации приведены в таблице 4.

Рисунок 3 Корпус КР1006ВИ1

Рисунок 4 Схема включения КР1006ВИ1

Таблица 3 Электрические параметры

Напряжение питания	от 3 до 15 В
Выходное напряжение низкого уровня при Uп=5 В, Uср=3,7...4,7 В, Iвых=5 мА при Uп=15 В, Uср=11,5...14 В, Iвых=0,1 А	не более 9,35 В не более 2,5 В
Выходное напряжение высокого уровня при Uп=5 В, Uср=1,8...2,8 В, Iвых=0,1 А при Uп=15 В, Uср=5,5...8 В, Iвых=0,1 А	не менее 2,75 В не менее 12,5 В
Ток потребления при Uп=5 В, Uср=3,7...4,7 В, Uвх=2,3...3,3 В при Uп=15 В, Uср=11,5...14 В, Uвх=7...9,5 В	не более 6 мА не более 15 мА
Ток сброса при Uп=15 В	не более 1,5 мА
Выходной ток при Uп=15 В	не более 2 мкА
Ток срабатывания	250 нА
Время нарастания (спада)	300 нс
Начальная погрешность при Uп=15 В	не более 3 %
Нестабильность начальной погрешности от напряжения питания	не более 0,3 %/В

Таблица 4 Предельно допустимые параметры

Напряжение питания	5...15 В
Ток нагрузки	не более 100мА
Рассеиваемая мощность (50 ° C)	не более 50мВт
Температура окружающей среды	-45...+70 ° C
Допустимое значение статического потенциала	200 В

3.2 Разработка электрических принципиальных схем отдельных блоков

3.2.1 Генератор сигналов (ГПН)

Генератор прямоугольных импульсов (напряжений) на основе триггера КР1006ВИ1, работающий в автоколебательном режиме, представлен на рисунке 4.

Рассчитаем , и по формуле:

(1)

Зададимся параметрами и , пусть кОм, кОм, тогда, исходя из условия и формулы 3.2.1, получаем:

(2)

нФ.

Дифференциальный усилитель.

Электронный усилитель, с двумя входами на основе трех операционных усилителях, применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Рассмотрим схему данного устройства:

Рисунок 3.1.6 Схема дифференциального усилителя

Данный блок состоит из и трех операционных усилителей К140УД20 DA2.1, DA2.2 и DA4.1. Причем резистор является подстрочным резистором и влияет на коэффициент усиления выходного сигнала с дифференциального усилителя. Поэтому задаемся сопротивлением резисторов:

кОм (3.2.6)

(3.2.7)

Так как , , являются выходами мостовой схемы то с учетом 3.2.5:

В (3.2.8)

Получаем:

(3.2.9)

Так как Uвых.ЭИП изменяется от 0 до 12 В по условию, то В из 3.2.10 выражаем а получаем:

(3.2.10)

Отсюда:

Ом (3.2.12)

Выбираем ближайший резистор из ряда Е192 Ом.

Полосовой фильтр.

Устройство имеющие область, предназначенную для прохождения определенных частот с до . А с частотами, лежащими за пределами пропускают либо частично, либо вовсе не пропускает.

Рассмотрим схему данного устройства:

Рисунок 3.1.7 Схема полосового фильтра

Для расчета полосового фильтра примем

нФ.

Тогда:

; (3.2.13)

; (3.2.13)

где кГц; кГц, так так .

Подставим числа:

Ом;

Ом;

Выбираем резисторы из ряда Е192: кОм, кОм.

Так как резисторы ряда Е192 для полосового фильтра имеют допуск ± 0,01%, то проверяем, не перекрывают ли они наш сигнал .

Подставляем крайние значения в формулы:

Гц; Гц;

Гц; Гц;

Следовательно, так как , то сигнал не перекрывается, следовательно резисторы выбраны правильно.

Прецизионный выпрямитель.

Во многих устройствах обработки аналоговых сигналов, например, в измерительных схемах, необходимо определение абсолютного значения сигнала, хотя эти операции могут быть реализованы на пассивных диодно-резистивных цепях, но значительное прямое падение напряжения на диодах и нелинейность его вольтамперной характеристики вносят в этом случае значительные погрешности, особенно при обработке слабых сигналов. Применение операционных усилителей позволяет в значительной степени ослабить влияние реальных характеристик диодов.

Рассмотрим схему данного устройства:



Рисунок 3.1.8 Схема прецизионного выпрямителя

Для данного блока примем:

кОм;

кОм.

Диоды и примем 2Д237А.

Амплитудный детектор.

Амплитудный детектор, устройство, предназначенное для получения на выходе напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции амплитуды выходного гармонического сигнала.

Рассмотрим схему данного блока:

Рисунок 3.1.9 Схема амплитудного детектора

Примем: нФ и кОм.

Повторитель напряжения.

Рассмотрим схему данного блока:

Рисунок 3.1.10 Схема повторителя напряжения

3.3 Разработка электрической принципиальной схемы проектируемого устройства

Работа устройства по структурной схеме осуществляется следующим образом. Амплитуда вибраций влияет на измерительный оптический канал, тем самым изменяется электрический сигнал на фотоприёмнике - напряжение, затем это напряжение усиливается дифференциальным усилителем в заданное число раз, усиленный входной сигнал далее проходит через полосовой фильтр, который пропускает полезный сигнал и ослабляет сигналы являющиеся помехами. После прохождения полосового фильтра, сигнал попадает в прецизионный выпрямитель, где переменный сигнал преобразуется в сигнал одного знака, далее амплитудный детектор формирует напряжение близкое к максимальному значению выпрямляемого напряжения. Для согласования амплитудного детектора с устройствами, на которые будет поступать выходной сигнал, будет использоваться повторитель напряжения. Для компенсации потока излучения используется опорный измерительный канал, который возвращает часть потока в исходное состояние.

Электрическая принципиальная схема всего устройства представляет собой соединённые электрические принципиальные схемы отдельных блоков, расположение которых обусловлено структурной схемой устройства.



4. Разработка электрической принципиальной схемы стабилизированного источника питания

4.1 Расчет потребляемой прибором мощности

Электрическая принципиальная схема электронного измерительного преобразователя для измерения амплитуды вибраций изображена на чертеже 1-54.01.02 00.00.001 Э3.

Для обеспечения функционирования прибора на его питающие выводы необходимо подать соответствующие напряжения: В.

Рассчитаем токи, которые потребляет прибор.

Потребляемые токи микросхемами и необходимые напряжения показаны в таблице 4.1.1 .

Таблица 4.1.1 Токи и напряжения микросхем

Наименование микросхемы	Количество	U=+6В Iпотр	Суммарный ток
КР140УД20	4	3мА	12 мА
КР1006ВИ1	1	15 мА	15 мА
	27 мА

Суммарный ток равен 0,027 А.

Рассчитаем мощность, потребляемую прибором:

Вт.

4.2 Выбор микросхем стабилизатора напряжения и диодного выпрямителя

Поскольку максимальный ток равен 0,027 А, а напряжение питания микросхем равно В, то выбираем источник стабилизированного напряжения, основанного на микросхеме К142ЕН5Б, параметры которой приведены в таблице 4.2.1.

Выбираем диодные выпрямители в виде диодных сборок 2Д237А. Их максимальный ток (прямой) равен 3 А. Следовательно диодные выпрямители можно использовать в блоке питания.

Таблица 4.2.1 Электрические параметры микросхеме К142ЕН5Б

, В
, А	3
, В	15
, В	-
, В	2,5
, мА	10
, %В	0,05
, %	2
, %/K	0,02

Рисунок 4.2.1 Условное графическое обозначение микросхемы К142ЕН5Б

Назначение выводов микросхемы: 4 - вход; 1 - выход; 8 - общий;

Выбираем диодные выпрямители в виде диодных сборок 2Д237А. Их максимальный ток (прямой) равен 3 А, следовательно диодные выпрямители можно использовать в блоке питания.

4.3 Расчет и выбор конденсаторов для сглаживания пульсаций

В стабилизированных источниках питания сглаживающие пульсации конденсаторы устанавливаются на входных и выходных выводах стабилизатора. Это делается для того, чтобы конденсатор до стабилизирующего элемента сглаживал пульсацию диодного выпрямителя, а после для сглаживания пульсации в нагрузке. Величина емкости рассчитывается по формуле:

, (4.3.1)

где IH - ток нагрузки, А;

UП - напряжение пульсации, В;

f - частота сети, Гц.

Рассчитаем емкости конденсаторов

.

Выбираем стандартную емкость 1 мФ, напряжение рабочее на конденсаторе не менее 6В.

1 мФ.



4.4 Расчет действующих на трансформаторе напряжений и выбор его по мощности

Рассчитаем действующие значения на вторичной обмотке по следующей формуле:

, (4.4.1)

где UВЫХ.СТ - выходное напряжение стабилизации микросхемы, В;

UВХ.МС - входное напряжение микросхемы стабилизации, В;

UВЫХ.МС - входное напряжение микросхемы стабилизации, В;

Uп - напряжение пульсации в нагрузке, В;

UПР.VD - прямое падение напряжения на кремневом диоде, В.

Разность значений UВХ.МС и UВЫХ.МС постоянная величина и для микросхемы К142ЕН5Б равна 2,5В.

Напряжение пульсации в нагрузке является величиной постоянной и равной 1 В.

Прямое падение напряжения на кремневом диоде UПР.VD составляет 1 В.

Рассчитаем действующие значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Далее рассчитаем мощность трансформатора. Для этого необходимо просуммировать рассчитанные выше мощности в нагрузке и учесть мощность, потребляемую самим источником питания.

Для микросхемы К142ЕН5Б: IПОТР = 10 мА.

Просуммируем токи, тогда IПОТР СУМ = 0,027 А.

Суммарная потребляемая мощность будет равна:

Вт

Таким образом для нормальной работы устройства необходим трансформатор мощностью не мене 1 Вт, имеющий две вторичные обмотки и питающийся от сети переменного напряжения 220 В.

4.5 Разработка электрической принципиальной схемы стабилизированного источника питания

Электрическая принципиальная схема стабилизированного источника питания изображена на чертеже 1-54.01.02 00.00.002 Э3.

Переменное напряжение сети 220 В понижается обмоткой трансформатора ТU1, затем выпрямляется диодной сборкой 2Д237А. Пульсация сглаживается конденсаторами . Далее выпрямленное напряжения подается на стабилизирующую микросхему DA1, затем проходит через резистор и загорается диод VD3, который является индикатором включения.

Ом

Выбираем резистор из ряда Е192: Ом.



Заключение

В результате выполнения данного курсового проекта разработан измерительный прибор на основе операционного усилителя К140УД20 для измерения амплитуды вибраций объекта от 0 до 3 мм. Прибор питается от напряжения 220В с частотой 50Гц.

Размещено на Allbest.ru

...