Проектирование датчика
Любая автоматизация предполагает управление технологическими процессами на основе сбора, обработки и накопления информации. Поэтому неотъемлемую часть автоматических устройств и автоматизированных систем управления (АСУ) составляют средства измерения. Применение АСУ процессами требует измерять в общей сложности около 2000 физических, химических и других величин. Измерения производят с помощью разнообразных датчиков, выполняющих функцию первичного элемента, который воспринимает информацию от объекта и преобразует ее для передачи в канал связи на вычислитель. Если датчики будут обладать недостаточным быстродействием, большой погрешностью, низкой надежностью, то и вся система вне зависимости от степени совершенства вычислительных устройств будет работать неудовлетворительно. Именно датчики определяют саму возможность и качественный уровень работы автоматических линий. Это - изначальные поставщики информации, их погрешность не может быть скорректирована никакими последующими устройствами.
1. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ.
1.1 Разработать датчик предназначенный для измерения сил, развиваемых энергетическими установками и агрегатами, и выдаче сигнала, пропорционального силе на вход телеметрической системы.
1.2 Пределы измерения сил Fном должны соответствовать значениям: Fном=(1,2,5,10,20) 102 Н
Частотный диапазон измерения датчика 
f=50 Гц
Основная погрешность составляет 
=0,5%
Измерительная схема датчика силы равноплечий мост с сопротивлением плеча 700
10 Ом.
Датчик запитывается от источника постоянного тока напряжением 15В
Величина питающего напряжения в процессе измерения может меняться не более чем на 0,05В.
1.3 Датчик должен работать в окружающей среде - воздух. Температура окружающей среды может меняться в пределах 500С
Относительная влажность окружающей среды до 95% при температуре +350С
Датчик должен быть работоспособен при:
· Вибрации с частотой fгр=5кГц и амплитудой А=0,5мм
· Воздействие ударов с амплитудой 50g и длительностью до 0,001с
· Воздействие перегрузки должно быть до 20% от предела измерения
· Воздействие боковой перегрузки до 15% от предела измерения.
1.4 Требования к надежности.
Время непрерывной работы датчика должно быть не менее 2 часов.
Технический ресурс датчика должен быть не менее 1000 часов.
Вероятность безотказной работы датчика не менее 0,9
1.5 Возможность хранения датчика в складских условиях не менее 10 лет.
1.6 Датчик должен иметь минимальные габаритные размеры и массу.
1.7 Обеспечение заданного предела измерения должно осуществляться в пределах единого конструктивного оформления датчика с максимально возможной унификацией деталей и размеров.
2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ.
Требования технического задания накладывают определенные ограничения на конструкцию, параметры и методы расчета разрабатываемого датчика. Так требования работоспособности датчика при воздействии вибрации предопределяет либо проектирование датчика с высокой собственной частотой, лежащей за пределами частотного диапазона вибрации, либо введения демпфирования, либо какие-то другие меры, обеспечивающие во-первых, неизменность показаний датчика, а во-вторых его механическую прочность. Это же можно сказать и о линейных перегрузках. При воздействии на датчик температур изменяющихся в достаточно широких пределах (500С), происходит изменение геометрических размеров и упругих свойств механических элементов. В результате изменяется чувствительность датчика к измеряемой величине и появляется погрешность преобразования. Исключить влияние температуры на преобразование можно увеличением чувствительности к измеряемой величине и уменьшением чувствительности к дестабилизирующему фактору, каким является температура, применением дифференциальных преобразователей, либо включением в измерительную цепь специальных термокомпенсирующих элементов. Работа при взаимодействии повышенной влажности предопределяет конструирование датчика с герметичным корпусом, выбор соответствующих материалов и покрытий.
По техническим требованиям основная погрешность изменения датчика не должна превышать 0,5%. Она зависит от ряда факторов, которые влияют на физические свойства и параметры отдельных звеньев цепи преобразования измеряемой величины. К ним относятся вибрации, температура, напряжение питания. Для уменьшения погрешности от напряжения питания следует применять стабилизированные источники питания. Составляющими основной погрешности также являются погрешность от нелинейности и гистерезиса. Эффективными мерами уменьшения этих погрешностей являются применение дифференциальных преобразователей, ограничение рабочего диапазона, правильный выбор материала упругого элемента, материала и конструкции тензорезисторов, технологии их изготовления.
Предел измерения силы Fном должен соответствовать Fном=(1,2,5,10,20) 102 Н, что говорит о высокой точности датчика.
3. ОБЗОР МЕТОДОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИЛЫ.
Для измерения силы используют много методов: индуктивный, струнный, тензорезисторный.
У струнных датчиков выходной сигнал - частота. Это выгодно с частотными сигналами. Они обеспечивают высокую точность отсчета и независимость показаний линии связи, но эти датчики не могут быть выполнены на низкие диапазоны измерения, на широкий диапазон вибрационных нагрузок, не могут работать в широком температурном диапазоне. Струнные датчики сложны и дороги в изготовлении.
Индукционные датчики просты, дешевы, технологичны, но обладают низкими точностными свойствами.
Тензорезисторные датчики благодаря своим преимуществам получили широкое применение (до 98% от числа всех датчиков). Они просты, надежны, могут питаться как от постоянного, так и переменного источника питания. Обеспечивают широкий диапазон работы и практически не снижают жесткости конструкции системы. Недостатком этих датчиков является низкая величина выходного сигнала, недостаточно высокая точность преобразования и специфическая технология.
В нашем случае выбираем в качестве метода преобразования силы тензорезисторный метод.
4. ОБЗОР ДАТЧИКОВ СИЛЫ.
Большое распространение для измерения силы получили тензорезисторные датчики, структурная схема которых представляет последовательное соединение трех измерительных преобразователей:
|