5_Курсовая

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический

университет им. И.И. Ползунова»

Кафедра "Методов и средств измерений и автоматизации"_

Акселерометр

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине «Преобразователи физических величин»

_________КП 200106.37.000 ПЗ________

обозначение документа

Работу выполнила

Студентка гр. ИИТТ-71 _____________________ Я.В. Выхристова

подпись, и.о. фамилия

Руководитель

Курсовой проект защищен с оценкой

_____________________

Руководитель

работы доцент каф.МСИА О.И. Пята

(подпись, должность, и.о. фамилия )

доцент каф. МСИА ______________________ О.И. Пята

подпись, и.о. фамилия

2010

Реферат

Выхристова Яна Викторовна

Акселерометр

АКСЕЛЕРОМЕТР, ЕМКОСТЬ, ИЗМЕРЕНИЕ, ИНЕРЦИОННАЯ

МАССА, КОНСТРУКЦИЯ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ПЬЕЗОЭЛЕКТРИК,

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА, УСКОРЕНИЕ, ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ,

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА.

Цель разработки – проект преобразователя акселерометра

пьезоэлектрического типа с детальной разработкой первичного

преобразователя.

В ходе выполнения курсового проекта был проведен анализ

существующих средств измерения ускорения.

В результате был разработан комплект технической документации

на изготовление акселерометра пьезоэлектрического типа с детальной

разработкой первичного преобразователя.

Курсовой проект содержит пояснительную записку и два

приложения.

Пояснительная записка: 37 листов, 9 рисунков, 13 источников.

Изм.

Лист № докум. Подпись

Дата

Лист

3

КП 200106.37.000 ПЗ

Разраб. Выхристова Я.В.

Провер. Пята О.И.

Реценз.

Н. Контр.

Утверд.

Акселерометр пьезоэлектрического

типа

Лит. Листов

47

ИИТ-71

Приложение А (математическая модель динамической

характеристики преобразователя): 2 листа, 1 рисунок.

Приложение Б (графическая часть): 1 сборочный чертеж, 4 рабочих

чертежа, 1 спецификация.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………………………4

1 Теоретическая часть………………………………………………………….6

1.1 Общие сведения…………………………………………………………...6

1.2 Краткий обзор различных акселерометров……………………………...8

1.2.1 Индуктивные акселерометры……………………………………8

1.2.2 Индукционые акселерометры…………………………………...9

1.2.3 Тензорезисторные акселерометры……………………………..10

1.2.4 Реостатные акселерометры……………………………………..12

1.3 Пьезоэлектрические акселерометры…………………………………...13

2 Основная часть………………………………………………………………19

2.1 Выбор основных параметров устройства………………………………19

2.2 Описание конструкции………………………………………………….31

2.3 Выбор электрической схемы……………………………………………33

Заключение…………………………………………………………………….35

Список использованных источников………………………………………...36

Задание на курсовой проект

Изм. Лист № докум. Подпись

Дата

Лист

4КП 200106.37.000 ПЗ

Приложение А

Приложение Б

Введение

Практически все производственные процессы испытывают

воздействие ударных и вибрационных нагрузок. Одной из актуальных

проблем современной техники является измерение параметров ударов,

вибраций, шумов и ускорений.

По естественной входной величине прибора методы измерения

параметров движения могут быть разбиты на две группы.

К первой группе относятся методы, основанные на осуществлении

непосредственного контакта между движущимся объектом и системой,

принятой за неподвижную. Приборы, основанные на этом методе,

называются контактными. К этой группе относятся все устройства,

предназначенные для измерения параметров относительного движения.

Ко второй группе относятся методы, не требующие осуществления

непосредственного контакта с неподвижной системой отсчета. Приборы,

реализующие этот метод, называются инерционными. Естественной входной

величиной таких приборов может быть только сила инерции,

воспринимаемая корпусом датчика, с которым связана собственная

(подвижная) система отсчета.

Это свойство приборов для измерения параметров движения, т.е.

способность реагировать или на взаимное перемещение, или на силу

инерции, нашло свое отражение в их структуре. Основные параметры

механического движения – перемещение, скорость и ускорение – связаны

между собой простейшими дифференциальными зависимостями. Поэтому

обычно прибор для измерения какого-либо параметра имеет первичный

преобразователь, реагирующий на параметр, который легче поддается

измерению. А искомая величина получается путем применения

операционных звеньев в цепи дальнейшего преобразования (в датчике,

измерительной цепи или указателе).

Выбор структурной схемы и элементов прибора для измерения

параметров механического движения определяется не столько самим

параметром, сколько диапазоном его изменения, как по амплитуде, так и по

частоте. Величины параметров механического движения, с которыми

приходится сталкиваться в науке и технике, можно условно разбить на

несколько диапазонов. Так, при измерении ускорений приходится иметь дело

с весьма большими (1000-200000 м/с2), средними (1-200 м/с2), малыми (ниже

1 м/с2) и весьма малыми (до 10-5 м/с2) значениями измеряемого параметра.

Цель курсового проекта - разработать проект акселерометра

пьезоэлектрического типа с детальной разработкой первичного

преобразователя.

Задачи проекта:

1. провести анализ существующих средств измерения ускорения;

2. выбрать конструкционные материалы для изготовления деталей

пьезоэлектрического преобразователя;

3. рассчитать необходимые параметры;

4. разработка технической документации на изготовление

акселерометра.


Дата

Лист

6КП 200106.37.000 ПЗ

1 Теоретическая часть

1.1 Общие сведения

Акселерометр (от латинского accelero – ускоряю и греческого

metreo – измеряю), прибор для измерения ускорения (перегрузок),

возникающего на космических летающих аппаратах, ракетах, самолетов и

других движущихся объектах.

Акселерометры могут быть в зависимости от вида движения

линейные или угловые; по конструкции – механические,

электромеханические, оптические и другие; по назначению – измеряющие

ускорения как функцию времени или пути и максимальные, измеряющие

только максимальное значение ускорения. Для измерения угловых и

линейных ускорений можно применять все виды электромагнитных

преобразователей. При измерении больших ускорений обычно используются

механические акселерометры; при повышенном диапазоне частот –

электромеханические; при измерении вибраций в звуковом и около звуковом

диапазоне частот (10-20000 Гц) наиболее распространены электрические

акселерометры, основанные на пьезоэлектрическом эффекте.

Ускорение поступательного движения с погрешностью 1-5 %

измеряется обычно при помощи датчиков прямого преобразования

маятникового или пружинного типов. В маятниковых акселерометрах сила,

вызванная воздействием измеряемого ускорения на инерционную массу

датчика, уравновешивается силой тяжести, в пружинных – силой


Дата

Лист

7КП 200106.37.000 ПЗ

деформируемой пружины. В качестве основного преобразователя как

маятниковых, так и пружинных акселерометров используются реостатные,

индуктивные, емкостные, фотоэлектрические или другие типы

преобразователей в зависимости от величины рабочего перемещения

инерционной массы и конструктивных соображений.

В ряде случаев отсутствует необходимость в знании текущего

значения ускорения и важно лишь установить, не превышает ли оно

заданного размера. Для этих целей используются акселерометры с

контактными преобразователями, получившие название предельных или

максимальных акселерометров или сигнализаторов перегрузок.

Весьма перспективны методы измерения малых ускорений,

основанные на преобразовании в частоту и время. Достоинством частотной

модуляции при измерении малых постоянных ускорений является легкость

обнаружения очень малых изменений частоты путем сравнения частоты,

пропорциональной измеряемой величине, со стабильной частотой кварцевого

генератора. Этот принцип в струнных гравиметрах, позволяющих измерять

изменения ускорения силы тяжести с погрешностью порядка (1 – 2)∙10-6 этого

ускорения.


Дата

Лист

8КП 200106.37.000 ПЗ

1.2 Краткий обзор различных акселерометров

В ходе выполнения работы были рассмотрены некоторые

разновидности акселерометров, такие как индуктивные, индукционные,

тензорезисторные, реостатные.

1.2.1 Индуктивные акселерометры

Принцип действия индуктивных измерительных преобразователей

основан на изменении индуктивности системы. Наиболее широко применяют

индуктивные измерительные преобразователи с переменной величиной или

площадью зазора, а также с подвижным цилиндрическим сердечником.

Чтобы уменьшить потери на гистерезис и вихревые токи, сердечники

индуктивных измерительных преобразователей изготавливают из набора

тонких листов магнитного железа – феррита. Отличительной их

особенностью является то, что они могут применяться при

высокотемпературных измерениях. При этом используют жаростойкие

материалы с малым температурным коэффициентом и провода из нихрома.

Индуктивные измерительные преобразователи (ИП) отличаются

простотой устройства и надежностью. Их чувствительность достаточно

велика и перед регистрацией не требуется дополнительно усиливать

выходной сигнал.


Дата

Лист

9КП 200106.37.000 ПЗ

Индуктивные акселерометры используют в основном для

измерения низкочастотных виброускорений.

1.2.2 Индукционые акселерометры

Принцип действия индукционных акселерометров основан на

явлении электромагнитной индукции, т.е. возникновении электродвижущей

силы в электрической катушке при изменении магнитного поля.

Возникающая ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного

потока и, соответственно, скорости движения катушки в магнитном поле.

Принцип работы индукционного ИП позволяет применять его для

измерения любых высокочастотных вибраций с широким диапазоном

амплитуд. Индукционные ИП отличаются простотой конструкции и

надежностью в эксплуатации. Основной их недостаток связан с принципом

работы, практически ограничивающий нижний диапазон измеряемых частот

пределом 8-10 Гц.

Индукционный акселерометр состоит из корпуса, инерционной

массы и индукционного элемента. Индукционный элемент содержит

постоянный магнит и электрическую катушку.


Дата

Лист

10КП 200106.37.000 ПЗ

1.2.3 Тензорезисторные акселерометры

На рисунке 1 показаны основные схемы тензорезисторных

акселерометров. Первый тип акселерометра (рисунок 1 а) является наиболее

простым по конструкции и состоит из основания, чувствительно элемента в

виде консольной балки с наклеенными на нее тензорезисторами и

укрепленной на конце балки инерционной массы.

Изображенная на рисунке 1 б конструкция акселерометра

отличается тем, что чувствительный элемент содержит инерционную массу,

укрепленную на двух параллельно расположенных консольных балках.


Дата

Лист

11КП 200106.37.000 ПЗ

1 – инерционная масса; 2 – чувствительный элемент; 3, 4 –

тензорезисторы

а – одноконсольный; б – двухконсольный; в – двухконсольный с

безосновными тензорезисторами; г – с чувствительными элементами в форме

стаканов для измерения больших ускорений

Рисунок 1 – Основные схемы тензорезисторных акселерометров

По сравнению с предыдущей схемой акселерометра, в этом

акселерометре может быть достигнуто более высокое значение

коэффициента преобразования при той же собственной частоте. Кроме того,

такая конструкция обеспечивает параллельность перемещения инерционной

массы, что, в свою очередь, дает возможность измерять с помощью

тензорезисторов не деформации изгиба консолей, а перемещения

инерционной массы с помощью преобразователей перемещения или

подвесных тензорезисторов (рисунок 1 в). Такие акселерометры имеют

наиболее высокое значение коэффициента преобразования. Их используют

для измерений малых ускорений. Акселерометры, выполненные по схеме,

показанной на рисунке 1 г, применяют для измерения больших по величине

ускорений. Чувствительный элемент этого акселерометра выполнен в виде

двух цилиндрических стаканов, соединенных днищами. По образующим

стаканов наклеены тензорезисторы. Роль инерционной массы выполняют

днища стаканов и масса, укрепленная на них.


Дата

Лист

12КП 200106.37.000 ПЗ

1.2.4 Реостатные акселерометры

Принцип действия реостатного акселерометра заключается в

изменении активного сопротивления на выходе при перемещении движка,

которое может быть угловым или линейным. Преимущества преобразователя

реостатного типа: большой выходной сигнал, возможность питания как от

постоянного, так и переменного тока.

Рисунок 2 – Механический акселерометр


Дата

Лист

13КП 200106.37.000 ПЗ

Линейный механический акселерометр, изображенный на рисунке

2, представляет собой систему с одной степенью свободы, состоящую из

груза, укрепленного на рычаге, удерживаемом в горизонтальном положении

специальной пружиной. Прибор крепится к исследуемому объекту, и при

движении объекта (в частности при его вибрациях) груз также перемещается

(или вибрирует). Величина и характер этих перемещений пропорциональны

ускорению объекта, которое и измеряют, регистрируя перемещение груза.

Чтобы при этом собственные колебания прибора не искажали измеряемых

ускорений, в акселерометрах делают специальные устройства, которые

глушат эти колебания.

1.3 Пьезоэлектрические акселерометры

Для измерения ускорения с более высокочастотным спектром

используются акселерометры с пьезоэлектрическим преобразователем.

Конструкция одного из таких преобразователей приведена на

рисунке 3. Масса 1 вмонтирована в кольцо 2, изготовленное из

пьезокерамики. Пьезокерамика поляризована так, чтобы прибор измерял

только осевое ускорение. Кольцо укреплено в корпусе 3 и играет роль

пружины – датчика ускорения. Благодаря большой жесткости кольца, частота

собственных колебаний преобразователя довольно высокая. Преобразователь

применяется также для изменения скорости и перемещения при вибрации.

Для этого сигнал преобразователя интегрируется.


Дата

Лист

14КП 200106.37.000 ПЗ

Рисунок 3-Конструкция акселерометра с пьезоэлектрическим

преобразователем

Простейшая конструкция пьезоэлектрического акселерометра

схематично изображена на рисунке 4. На основании 1 закреплен

пьезоэлемент 2 и инерционная масса 3. Преобразователь закрыт кожухом 4 и

имеет пружину 5, создающую предварительное поджатие пьезоэлемента.


Дата

Лист

15КП 200106.37.000 ПЗ

Рисунок 4–Простейшая конструкция пьезоэлектрического

акселерометра

Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем с

измерительной цепью, представлена на рисунке 5:

Рисунок 5 – Эквивалентная схема пьезоэлектрического

преобразователя

Здесь С0 – емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость

преобразователя), Свх – емкость кабеля и входная емкость измерительной

цепи, R0 – сопротивление преобразователя с учетом сопротивления изоляции

линии относительно земли, Rвх – входное сопротивление измерительной

цепи.

Сила, действующая на пьезоэлемент при ускоренном движении,

согласно второму закону Ньютона определяется как:

F = та, (1)

где т – значение инерционной массы, кг;

а – значение ускорения, м/с2.


Дата

Лист

16КП 200106.37.000 ПЗ

Заряд, возникающий на обкладках пьезоэлемента под действием

этой силы и равный:

q = d33F = d33ma, (2)

где d33 – пьезомодуль, Кл/м, сохраняется лишь при бесконечно большом

входном сопротивлении измерительной цепи. Поскольку это требование

практически невыполнимо, то пьезоэлектрические преобразователи

используют в подавляющем большинстве случаев для измерения

динамических величин. Применительно к акселерометрам это означает

измерение вибрационных и других быстроменяющихся ускорений.

Чувствительность акселерометра по заряду определяется следующим

отношением

. (3)

Если на акселерометр действует ускорение в направлении,

перпендикулярном к оси поляризации пьезоэлемента, то на обкладках его

возникают заряды, которые определяют поперечную чувствительность

датчика. Поперечная чувствительность зависит от положения акселерометра

относительно направления действия ускорения. Как следует из рисунка 6, эта

зависимость имеет форму восьмерки. Направление А–А соответствует

максимальной поперечной чувствительности, направление В–В –

минимальной поперечной чувствительности.


Дата

Лист

17КП 200106.37.000 ПЗ

Рисунок 6 – Зависимость поперечной чувствительности

акселерометра от его положения

Поперечная чувствительность пьезоэлектрических датчиков

ускорений в основном определяется непостоянством продольной

чувствительности по площади рабочей поверхности пьезоэлемента и

отклонением вектора поляризации пьезоэлемента от его геометрической оси

Z. Максимальная величина первой составляющей

, (4)

где R – радиус пьезоэлемента, м;

hs – расстояние от центра массы инерционного элемента до центра массы

пьезоэлемента, м;

rк – расстояние от оси Z до центра тяжести диаграммы распределения

чувствительности по рабочей поверхности пьезоэлемента, м.

Вторая составляющая:

, (5)

где – угол между вектором поляризации и осью Z;

– пьезоэлектрические коэффициенты материала, В/Н.

Пути уменьшения обеих составляющих поперечной

чувствительности в основном определяют конструктивные особенности

пьезоэлектрических акселерометров и способы их реализации при

проектировании.

Коэффициент поперечной чувствительности можно уменьшить

следующими способами:

применением измерительного преобразователя правильной

геометрической формы, с однородным составом по механическим и

электрическим свойствам;

использованием нескольких пьезоэлементов в чувствительном

элементе, что позволяет усреднить механическую и электрическую

неоднородности отдельных пьезоэлементов;

совмещением центра тяжести инерционного элемента со

средней плоскостью пьезоэлемента.

Высокую чувствительность имеют также преобразователи с

пьезоэлементами, работающими на изгиб.

Пьезоэлемент, называемый биморфным (рисунок 7), составлен из

двух пластин. При действии силы F пьезоэлемент прогибается, верхняя

пластина испытывает растяжение, нижняя – сжатие, и на пластинах

наводятся заряды. Пластины в зависимости от направления положительных

осей в них (оси указаны стрелками) могут соединяться как параллельно, так и

последовательно, как это и показано на рисунке 7а и 7б соответственно, там

же показаны и знаки зарядов.


Дата

Лист

18КП 200106.37.000 ПЗИзм. Лист № докум. Подпис

ьДата

Лист

19КП 200106.37.000 ПЗ

Рисунок 7 – Биморфный пьезоэлемент

Наиболее высокочастотные акселерометры имеют собственную

частоту до 200 кГц при чувствительности 0,004 пКл/(м*с-2). Наиболее

высокочувствительные пьезоакселерометры имеют чувствительность до 1000

пКл/(м*с-2), но их собственные частоты не превышают 1 кГц.

2 Основная часть

2.1 Выбор конструктивных элементов и расчет основных

параметров устройства

При проектировании пьезодатчиков одним из основных является

вопрос о выборе пьезоэлектрического материала. При выборе материала


Дата

Лист

20КП 200106.37.000 ПЗ

следует учитывать его характеристики: значения пьезоэлектрических

коэффициентов d и g, диэлектрической проницаемости ε, модуля упругости Е

и плотности ρ. Коэффициент d описывает основную чувствительность

пьезоматериала и определяет величину электрического заряда,

генерируемого при приложении определенной силы. Данное определение

приводит к основному уравнению для пьезоэлектрических материалов:

d= qF

=C⋅UF , (6)

где F – сила, Н;

U – напряжение, В;

С – емкость, Ф.

Коэффициент gij является постоянной для пьезоматериала в случае

разомкнутой цепи. Эта постоянная описывает чувствительность по

напряжению пьезоэлемента и определяется как

gij=U /1F / S , (7)

где S – площадь пьезоэлемента, м2,

l – толщина пьезоэлемента, м.

Этот коэффициент удобен для расчета выходного напряжения

пьезоэлектрического преобразователя.

Связь постоянной gij c пьезоэлектрической постоянной dij

выражается следующим равенством:

gij=d ij

ε⋅ε 0 , (8)


Дата

Лист

21КП 200106.37.000 ПЗ

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлемента;

ε0 – диэлектрическая проницаемость воздуха, Ф/м.

Наиболее полной характеристикой пьезоэлектриков как

преобразователей механической энергии в электрическую энергию является

коэффициент электромеханической связи, представляющий собой

своеобразный коэффициент полезного действия пьезоэлектрика. Этот КПД

зависит только от свойств материала:

K=d ij⋅E

ε , (9)

где К – коэффициент механической энергии.

С точки зрения полноты использования входной энергии,

характеризуемой K, наилучшим материалом является сегнетова соль,

наихудшим – кварц.

Важным параметром пьезоматериала является диэлектрическая

проницаемость ε. Этот параметр влияет на собственную емкость

преобразователя С0, который определяется по формуле:

C0=ε⋅S⋅ε0

l , (10)

где l – толщина пьезоэлемента, м,

а соответственно и на напряжение U на выходе датчика, определяемое

выражением:

U= QC∑ ¿

¿, (11)

где СΣ – суммарная емкость, Ф.


Дата

Лист

22КП 200106.37.000 ПЗ

Суммарная емкость находится как:

CΣ = С0+Ск+Свх, (12)

где Ск – емкость кабеля, Ф;

Свх – входная емкость усилителя, Ф.

Емкость кабеля определим из выражения:

CК=l∙CP, (13)

где l – длина кабеля;

СР – рабочая емкость кабеля.

Входную емкость усилителя выразим из выражения:

γ S=ΔC0+ ΔC K

C0+C K+CВХ , (14)

где γS – погрешность чувствительности;

ΔС0 – нестабильность емкости пьезоэлемента, Ф;

ΔСК – нестабильность емкости кабеля, Ф.

Погрешность чувствительности определим через класс точности

преобразователя:

γ S=k

100 , (15)

где k – класс точности преобразователя.

Нестабильность емкости пьезоэлемента определим через

диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь:

ε*= ε'–i∙ε", (16)


Дата

Лист

23КП 200106.37.000 ПЗ

где ε' – действительная часть относительной диэлектрической

проницаемости;

ε" – мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости.

Действительная часть имеет физический смысл относительной

диэлектрической проницаемости, то есть:

ε'=ε (17)

а мнимая характеризует потери:

ε" = ε∙tg(δ), (18)

где tg(δ) – тангенс угла диэлектрических потерь.

Таким образом:

ΔC0=±ε⋅tg(δ )⋅S⋅ε0

l=±C0⋅tg(δ )

. (19)

Следовательно, входная емкость усилителя равна:

CВХ=ΔC0+ ΔC K

γ S

−CК−С0. (20)

Казалось бы необходимо выбирать материалы с возможно меньшим

значением диэлектрической проницаемости ε. Но выбор материала с малым

ε, то есть с малой собственной емкостью, резко увеличивает внутреннее

сопротивление преобразователя на низких частотах, что повышает

требования к входной цепи измерительного усилителя. Поэтому, когда

необходимо расширить частотный диапазон в области низких частот, лучше

выбирать материалы с большим значением ε.

Так как в датчиках пьезоэлемент обычно действует как

механическая пружина, то все механические характеристики будут зависеть


Дата

Лист

24КП 200106.37.000 ПЗ

от упругости пьезоэлемента, а значит будут определяться модулем упругости

Е материала, а также в некоторой степени и плотностью материала ρ.

Поэтому предпочтительнее выбирать материалы с большим значением

упругости и меньшей плотностью.

В акселерометрах, как правило, применяются дисковые

пьезоэлементы с большим отношением диаметра к толщине. Поэтому

толщину пьезоэлемента можно найти из следующей формулы:

2⋅R1 =6÷10, (21)

Соответственно, площадь пьезоэлемента будет определяться по

формуле:

S=π∙R2, (22)

где π – число пи, равное 3,14.

Определим заряд, возникающий на поверхности пьезоэлемента при

действии ускорения. Так как при продольном пьезоэффекте заряд не зависит

от размера пьезоэлемента, тогда заряд, возникающий на поверхности

пьезоэлемента при действии ускорения будет равен:

Q=d33∙F, (23)

где d33 – значение пьезомодуля, Кл/Н.

Сила F определяется через следующее выражение:

F=m∙a, (24)

где m – инерционная масса, кг;

а – изменяемое ускорение, м/с2.

Коэффициент преобразования (чувствительность по напряжению)

акселерометра:


Дата

Лист

25КП 200106.37.000 ПЗ

К П=Ua . (25)

Собственная круговая частота:

ω0=√ cm , (26)

где с – коэффициент упругости пьезоматериала, Н/м;

m – инерционная масса, кг.

Коэффициент упругости определяем из выражения:

c= E⋅Sl . (27)

Собственная частота определяется по формуле:

f 0=ω0

2⋅π , (28)

Чтобы обеспечить высокую точность измерений собственную

частоту выбирают в следующих пределах:

f 0≥(10÷15 ) f, (29)

где f – рабочая частота, Гц.

Чувствительность акселерометра по заряду определяется по

формуле:

SQ=Qa . (30)

Инерционная масса представляет собой цилиндр. Следовательно,

его объем можно рассчитать по следующей формуле:

V=π⋅R2⋅h , (31)

где R – радиус основания, м;


Дата

Лист

26КП 200106.37.000 ПЗ

h – высота цилиндра, м.

С другой стороны, объем равен:

V= mρи . м . , (32)

где m – значение инерционной массы, кг;

ρи . м . – плотность инерционной массы, кг/м³.

Из последних двух формул выводим выражение для нахождения

высоты цилиндра:

h= mρи. м .⋅S . (33)

Учитывая вышеперечисленные условия, в качестве первичного

преобразователя пьезоэлектрического акселерометра выберем пьезоэлемент

из цирконата титаната свинца ЦТС-19 ГОСТ 11-0444 - 87. Данный материал

имеет высокую диэлектрическую проницаемость ε=1525, КПД равный 40℅,

модуль упругости Е=70∙109 Н/м2, gij=14,8∙10-3 мВ/Н, тангенс угла

диэлектрических потерь tgδ=3,5∙10-2, пьезомодуль d33=282∙10-12 Кл/м,

плотность ρ=7600 кг/м3. Допустимая температура составляет 290оС.

Форма инерционной массы влияет на характеристики датчика.

Уменьшение поперечной чувствительности требует уменьшения расстояния

между центром массы инерционного элемента и центром массы

пьезоэлемента. В связи с этим инерционную массу желательно выполнять с

малой высотой. Инерционную массу выполним из стали углеродистой

качественной конструкционной марки 10 ГОСТ 1050-88. Плотность

инерционной массы ρи . м .=7800 кг/м3.


Дата

Лист

27КП 200106.37.000 ПЗ

Основание пьезоэлектрического акселерометра изготавливают из

относительно легких, но достаточно прочных материалов. В качестве

материала для изготовления основания датчика выберем титан ВТ3-1 ГОСТ

19807-74 (ρ=4500 кг/м3), по механическим характеристикам не уступающий

стали.

Так как нет особых требований к материалу крышки акселерометра

и его общей массе, для её выполнения выберем сталь 30Х13 ГОСТ 5632-72

(ρ=7670 кг/м3).

В качестве выводов для снятия сигналов с пьезоэлемента возьмем

алюминиевую фольгу ГОСТ 618-73.

В качестве соединительного кабеля выберем монтажный кабель

МКЭШ 30,35, с медными жилами и пластмассовой изоляцией,

экранированный оплеткой из медной проволоки. Кабель стоек к

вибрационным нагрузкам до 2000 м/с2 при частоте 2000 Гц, многократным

ударным нагрузкам с ускорением до 1500 м/с2 и длительностью до 3 мсек,

температуре от –50 до +70С. Рабочая емкость кабеля Ср=70 пФ/м,

нестабильность емкости +20 пФ, число жил и номинальное сечение (мм2),

соответственно 30,35.

Для сочленения деталей акселерометра используют поджатие,

пайку и склеивание. При поджатии с помощью винтового соединения

невозможно избежать даже незначительных люфт, которые приводят к

дополнительным погрешностям. При пайке необходимо предварительно

проводить серебрение поверхностей путем вжигания серебра при

температуре около 5000С, что значительно усложняет процесс изготовления.

Наиболее широкое применение нашло склеивание. Оно обеспечивает

надежное сочленение элементов, не приводя к дополнительным

погрешностям.


Дата

Лист

28КП 200106.37.000 ПЗ

Для склеивания инерционной массы с пьезоэлементом и

пьезоэлемента с основанием применим клей БФ-4 ГОСТ 12172-74,

используемый для цветных металлов, нержавеющей стали, для их

склеивания с неметаллами. Обладает большой эластичностью, используется

для склеивания материалов, подвергающихся воздействию вибрационных

нагрузок, а также изделий, работающих в щелочной среде при низких

температурах. Температура эксплуатации от -60 до +60 0C

Для склеивания пьезошайб между собой возьмем токопроводящий

клей (контактол) К-8 ГОСТ 12172-74. Токопроводящие клеи (контактолы)

отличаются от изоляционных тем, что в их состав входит мелкодисперсный

металлический порошок, частицы которого, выстраиваясь в цепочку,

обеспечивают получение токопроводящей композиции. Такой клей может

работать в температурном диапазоне от -60 до +150 0С.

Для соединения выводов с пьезоэлементом и кабелем будем

использовать припой ПСР 45М ГОСТ 21931-76.

Таким образом диапазон рабочих температур определится снизу из

диапазона рабочих температур кабеля, а сверху – диапазона температур

эксплуатации клея БФ-4: от -50 С до +60 С, что удовлетворяет требованиям

к диапазону рабочих температур датчика.

Примем радиус пьезоэлемента 10∙10-3 м, тогда толщина l этого

элемента составит из формулы (21):

1=2⋅10⋅10−3

10=2⋅10−3

м.

Из выражения (22) определим площадь пьезоэлемента:

S=3,14∙(10∙10-3)2=3,14∙10-4 м2.


Дата

Лист

29КП 200106.37.000 ПЗ

По формуле (10) вычислим собственную емкость преобразователя:

C0=1525⋅3 .14⋅10−4⋅8 .9⋅10−12

2⋅10−3=2 .13⋅10−9

Ф.

Примем, что длина соединительного кабеля равна 2 метра. Тогда из

формулы (13) получаем емкость кабеля:

CК=2∙70∙10-12=0,14∙10-9 Ф.

Для нахождения входной емкости усилителя по выражению (19)

вычислим нестабильность емкости пьезоэлемента через тангенс угла

диэлектрических потерь (в заданном температурном и частотном диапазонах

его можно считать константой):

ΔС0=+2,∙10-9∙3,5∙10-2=+0,075∙10-9 Ф,

и по формуле (15) рассчитаем погрешность чувствительности:

γ S=1 . 5100

=0 . 015.

Теперь из выражения (20) найдём входную емкость усилителя:

CВХ=0 .075⋅10−9+0 . 02⋅10−9

0 . 015−0 .14⋅10−9−2 .13⋅10−9=4 . 03⋅10−9

Ф.

По формуле (12) определим суммарную емкость преобразователя:

CΣ = 2,13∙10-9+0,14∙10-9+4,03∙10-9=6,3∙10-9 Ф.

Зададим значение инерционной массы:m=0,05 кг.

Следовательно, из выражения (24), сила будет равна:

F=0,05∙50=2,5 Н.

Теперь мы можем рассчитать по формуле (23) заряд:

Q=282∙10-12∙2,5=0,71∙10-9 Кл.


Дата

Лист

30КП 200106.37.000 ПЗ

Соответственно, напряжение на выходе датчика, определяемое из

формулы (11) будет равно:

U=0 . 71⋅10−9

6 . 3⋅10−9=0 .11

В.

Коэффициент преобразования (чувствительность по напряжению)

акселерометра определим из выражения (25):

К П=0.11⋅103

50=2 . 2

мВ∙с2/м.

Определяем коэффициент упругости по выражению (27) для

расчета круговой частоты преобразователя:

c= E⋅Sl

=70⋅109⋅3.14⋅10−4

2⋅10−3 =10. 99⋅109

Н/м.

Из формулы (26) определяем собственную круговую частоту:

ω0=√10 . 99⋅109

0 .05=469⋅103

рад/с.

Собственную частоту определим по формуле (28):

f 0=ω0

2 π=469⋅103

2⋅3. 14=74 . 68

кГц.

Из выражения (29) определим рабочую частоту:

f =f 0

15=74 .68⋅103

15=5

кГц.

По формуле (30) определим чувствительность акселерометра по

заряду:


Дата

Лист

31КП 200106.37.000 ПЗ

SQ=0. 71⋅10-9

50=14 . 2⋅10−12

Клс2/м.

Определим из формулы (33) высоту инерционной массы:

h= 0 . 05

7800⋅3. 14⋅10-4 =0. 02 м.

2.2 Описание конструкции

Акселерометр пьезоэлектрического типа (рисунок 8) представляет

собой прибор, состоящий из основания 3, выполненного из титана ВТ3-1

ГОСТ 19807-74, к которому с помощью клея БФ-4 ГОСТ 12172-74 крепится

преобразователь, состоящий из двух параллельно включенных пьезопластин


Дата

Лист

32КП 200106.37.000 ПЗ

1 Х-среза, склеенных между собой токопроводящим клеем К-8 ГОСТ 12172-

74. Пластины выполнены из керамики ЦТС-19 ГОСТ 11-0444-87.

Инерционная масса 2 выполнена из стали углеродистой качественной

конструкционной марки 10 ГОСТ 1050-88. Она крепится к чувствительному

элементу посредством клея БФ-4. Склейка выполняется в приспособлении,

не допускающим радиального смещения инерционного элемента,

пьезошайбы и основания относительно друг друга.

1. Пьезоэлемент 2. Инерционная масса 3. Основание 4. Крышка

Рисунок 8 – Пьезоэлектрический акселерометр

Акселерометр закрывается крышкой 4, изготовленной из стали

30Х13 ГОСТ 5632-72, которая навинчивается на основание. Показания с

преобразователя снимаются посредством выводов из алюминиевой фольги

ГОСТ 618-73, припаянных к граням пьезоэлектрических пластин припоем

ПСР 45М ГОСТ 21931-76. Контакты соединены с антивибрационным

кабелем МКЭШ 30,35 при помощи того же припоя. В основании

просверлено отверстие, через которое протягивается кабель. Оно имеет


Дата

Лист

33КП 200106.37.000 ПЗ

специальный хвостик с резьбой для крепления на объект. При воздействии на

прибор измеряемого ускорения на гранях пьезоэлемента образуется заряд

пропорциональный ускорению.

2.3 Выбор электрической схемы

Так как выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей

очень мала, то на выходе преобразователя необходимо включить усилитель с

возможно большим входным сопротивлением. Измерительная цепь

пьезодатчика выполнена в виде усилителя напряжения с высокоомным


Дата

Лист

34КП 200106.37.000 ПЗ

входом (рисунок 9), где С0 – емкость преобразователя; Ск – емкость кабеля;

С1 – дополнительная стабильная емкость; R1, R2 – сопротивления датчика и

кабеля. В измерительной цепи используется неинвертирующий усилитель с

входным каскадом на полевом транзисторе.

Рисунок 9 – Эквивалентная схема пьезоакселерометра

Выходное напряжение усилителя увеличивается за счет увеличения

его коэффициента усиления:

Кус=(1+R1R2), (34)

однако, лишь до известных пределов, так как с ростом коэффициента

усиления усилителя и уменьшением глубины обратной связи возрастают

погрешности.

Важной характеристикой измерительной цепи является постоянная

времени:

τ = RC. (35)

Для измерительной цепи с усилителем напряжения сопротивление

R определяется параллельно соединенными сопротивлениями изоляции

датчика, кабеля, входным сопротивлением усилителя и сопротивлением R3. В


Дата

Лист

35КП 200106.37.000 ПЗ

качестве транзистора выберем полевой транзистор с p-n-переходом КП303Г,

сопротивление которого составляет не менее 1,38*1011 Ом.

Сопротивление R3 стабилизирует уровень выходного напряжения

усилителя, определяемый входным током усилителя.

Анализ отдельных составляющих показывает, что даже при

больших значениях C постоянная времени τ¿ 1 с.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта был проведен анализ

существующих средств измерения ускорения, выбраны и обоснованы

конструкционные материалы для изготовления деталей, рассчитаны

геометрические параметры, разработан комплект конструкторской


Дата

Лист

36КП 200106.37.000 ПЗ

документации первичного преобразователя акселерометра

пьезоэлектрического типа.

Спроектированный в рамках данного курсового проекта

преобразователь имеет следующие технические характеристики:

Диапазон измерений — 1... 50 м/с2.

Габаритные размеры: продольный - не более 72,1 мм,

высота — не более 80 мм.

Частотный диапазон: до 5000 Гц.

Класс точности: 1,5.

Список использованных источников

1. Анурьев, В.И. Справочник конструктора машиностроителя в 3-

х т, 6-е изд., перераб. и доп. [Текст] / В.И. Анурьев. – М.:, Машиностроение,

1982.

2. Левшина, Е.С. Электрические измерения физических величин:

(Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. [Текст] / Е.С.

Левшина, П.В. Новицкий — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1983.

3. Макаров, Р.А. Тензометрия в машиностроении. Справочное

пособие. [Текст] / Р.А. Макаров – М.:, Машиностроение, 1975.

4. Осадчий, Е.П. Проектирование датчиков для измерения

механических величин. [Текст] / Е.П. Осадчий, А.И. Тихонов. Под ред. Е.П.

Осадчего. – М.: Машиностроение, 1979.

5. Туричин, А.М. Электрические измерения неэлектрических

величин. [Текст] / А.М. Туричин, П.А. Новицкий. Под ред. П.А.Новицкого.

— Л.: Энергия, 1975.

6. ГОСТ 2.102-68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских

документов [Текст].

7. ГОСТ 2.105-95 ЕСКД. Общие требования к текстовым

документам [Текст].

8. ГОСТ 2.106-96 ЕСКД. Текстовые документы [Текст].

9. ГОСТ 2.108-96 ЕСКД. Спецификация [Текст].

10. ГОСТ 2.109-73 ЕСКД. Основные требования к чертежам

[Текст].

11. ГОСТ 7.1-84 СИБИД. Библиографическое описание документа.

Общие требования и правила составления [Текст].

12. ГОСТ 25.346-89 ЕСДП. Основные нормы взаимозаменяемости.

Общие положения, ряды допусков и основных отклонений [Текст].

13. ГОСТ 25.347-82 ЕСДП. Основные нормы взаимозаменяемости.

Поля допусков и рекомендуемые посадки [Текст].

Приложение А

На рисунке 10 изображен график динамической характеристики

акселерометра пьезоэлектрического типа:

Рисунок 10 – График динамической характеристики акселерометра

пьезоэлектрического типа

Листинг программы для расчета математической модели

динамической характеристики акселерометра пьезоэлектрического типа:

unit Unit1;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls,

Forms,

Dialogs, TeEngine, Series, ExtCtrls, TeeProcs, Chart, StdCtrls;

type

TForm1 = class(TForm)

Chart1: TChart;

Series1: TLineSeries;

Button1: TButton;

procedure Button1Click(Sender: TObject);

private

public

end;

const

m=0.05;

d33=282e-12;

Csum=6.3e-9;

var

Form1: TForm1;

U, a:real;

implementation

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

begin

Series1.Clear;

while a<=50 do begin

U:=(m*d33)/(Csum)*a;

Series1.AddXY(a,u*1000,'',clTeeColor);

a:=a+0.01;

end;

end;

end.

1Исходные данные

Диапазон измерений — 1..50 м/с2. Габаритные размеры: продольный – не более 100 мм, максимальный поперечный — не более 50 мм. Частотный диапазон: до 1000 Гц. Класс точности: не ниже 1,5. Нормальное значение температуры 20 5°С. Рабочий диапазон температур от +15°С до +60 °С.

2 Содержание разделов работы

Наименование разделов работы

Содержание работ по разделу

Трудоем-кость, %

Срок выполнения

Консультант (ФИО, подпись)

1 2 3 4 5

1 Пояснительная записка

Введение Кратко формулируется актуальность исследования, цели и задачи

5 5 неделя

Теоретическая часть Обзор преобразователей подобного типа, область использования, достоинства и недостатки каждого, вывод

32 9 неделя

Основная часть Подробное описание предлагаемой конструкции, обоснование выбора материалов деталей конструкции и их назначения

39 13 неделя

Заключение Выводы 2 15 неделя

Список использованных источников

2 15 неделя

Приложения Приложение А: разработка математической модели динамической характеристики.

Приложение Б (графическая часть):

1. Спецификация

2. Сборочный чертеж преобразователя

3. Рабочие чертежи всех деталей кроме стандартных

20 13 неделя

2. Научно-библиографический поиск

2.1 По научно-технической журналам ___________________________________________

2.2 По нормативной литературе просмотреть указатели государственных и отраслевых стандартов за последний год.

Руководитель работы _______________________

подпись и.о. фамилия

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

БИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (филиал)

Государственного образовательного учреждения высшего

профессионального образования «Алтайский государственный технический

университет

им. И.И. Ползунова»

.

ЗАДАНИЕ №37

НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По специальности 200106 – Информационно измерительная техника и

технологии_____

студентки группы ____ИИТТ-71__________________________________

Выхристовой Яны Викторовныфамилия, имя, отчество

Тема: Акселерометр

Утверждено указанием по кафедре МСИА от ____________ № ________

Срок исполнения работы____________________________________

Задание приняла к исполнению_____________________ Выхристова Я.В.

подпись фамилия, имя, отчество

БИЙСК 2010

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой МСИА

________________ Г.В. Леонов

“____”__________________20__ г

5_Курсовая

Documents

Transcript of 5_Курсовая