WAT – WYDZIAŁ ELEKTRONIKI INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH
Przedmiot: CZUJNIKI I PRZETWORNIKI Ćwiczenie nr 2
PROTOKÓŁ / SPRAWOZDANIE Temat: Przetworniki indukcyjnościowe
/POMIARY PRZEMIESZCZEŃ LINIOWYCH I KĄTOWYCH/
Grupa: ...
1. ...
2. ...
3. ...
4. ...
Data wykonania ćwiczenia:
...
Data oddania sprawozdania:
...
Ocena:
...
Prowadzący:
...
Uwagi prowadzącego ćwiczenie:
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z budową i zakresem wykorzystania różnych rodzajów czujników wykorzystywanych do pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych.
STANOWISKO 1. POMIAR PRZESUNIĘCIA LINIOWEGO Z ZASTOSOWANIEM PRZETWORNIKA TRANSFORMATOWEGO
1.1. OPIS ĆWICZENIA
Przedmiotem badań jest pomiar charakterystyki statycznej różnicowego przetwornika transformatorowego. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys.5.
G
Z Z V
Z1
2 2
0 R
X
Rys.1. Schemat układu pomiarowego do badania charakterystyki statycznej różnicowego przetwornika transformatorowego.
Uzwojenie pierwotne przetwornika zasilane jest z generatora napięcia
sinusoidalnego. Przesunięcie mierzone X zadawane jest za pomocą śruby mikrometrycznej, działającej bezpośrednio na rdzeń przetwornika. Ustawiamy wstępnie rdzeń w położenie neutralne (a więc kiedy Uo=0), a następnie zdejmujemy charakterystyki Uo=f1(X) dla obu kierunków przesunięć rdzenia. Pomiar przeprowadzamy jednokrotnie. Następnie dla określonego X oraz f wyznaczamy charakterystyki Uo=f2(U1) i dla określonego X oraz U charakterystykę Uo=f3(f).
Zakres zmian przesunięcia X wynosi ±100 mm od położenia neutralnego.
Charakterystyki takie mają zazwyczaj nieliniowy charakter, Istotnym parametrem takiej nieliniowej ch-ki jest błąd nieliniowości. Graficzny sposób wyznaczania tego błędu przedstawia rys.2.
Rys.2. Graficzny sposób wyznaczania błędu nieliniowości.
Błąd nieliniowości określany jest przez maksymalną rozbieżność charakterystyki rzeczywistej U 0R i znamionowej U 0zn zaznaczoną na rys.2 symbolem max1U0 .
1.2. WYKONANIE ĆWICZENIA.
1. Połączyć układ pomiarowy w/g schematu przedstawionego na rys.1.
2. Dla przetwornika o danych znamionowych U1N=5V oraz fN=5kHz wyznaczyć:
a) Uo=f1(X) przy U1=U1N=5V f=fN=5kHz
b) Uo=f2(U1) przy f=fN=5kHz X=50mm U1=4÷5,6V
c) Uo=f3(f) przy U1=U1N=5V=const X=50mm
f=1÷10kHz
3. Przedstawić wykreślnie uzyskane charakterystyki.
4. Wyznaczyć błąd nieliniowości.
U U
U
X
X 0
0max
0zn'
U U
U
0R 0zn
0zn ' ''
max max lU0
W celu ułatwienia wykonania ćwiczenia zastosowano komputer oraz przyrząd uniwersalny METEX współpracujący z komputerem i umożliwiający pomiar wszystkich żądanych parametrów. Wprowadzanie danych do pamięci komputera odbywa się za pośrednictwem programu o nazwie pomlin.exe.
Każda seria pomiarów znajduje się w pliku o nadanej nazwie. Pliki te są następnie
wpisywane do programu EXCEL, który umożliwia opracowanie wyników w postaci tabel, wykresów i innych parametrów wskazanych w dalszej części instrukcji oraz wydruk na drukarce.
Pomiary wykonywać przyrządem METEX-4660A Procedura postępowania jest następująca:
1. Uruchomić program pomlin.exe.
2. Po uruchomieniu programu postępować zgodnie z ukazującymi się komunikatami na ekranie komputera.
3. Wyniki pomiarów rejestrować przy jednakowych odstępach nastawy zmiennej niezależnej x.
4. Zanotować na kartce nazwę pliku, w którym będą zapisane wyniki pomiarów oraz miana wielkości fizycznych w jakich były zdejmowane charakterystyki.
5. Uruchomić program EXCEL, wprowadzić do niego pliki pomiarowe i za pomocą tego programu wyznaczyć żądane w dalszej części instrukcji wykresy i parametry.
6. Wszelkie wykresy drukować wraz z wynikami pomiarów.
STANOWISKO 2. POMIAR PRZEMIESZCZEŃ KĄTOWYCH.
2.1.OPIS ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, zasadą działania oraz pomiarem charakterystyk zewnętrznych dwóch rodzajów przetworników kąta: obrotowo-impulsowych i obrotowo-kodowych.
2.1.1 PRZETWORNIKI OBROTOWO-IMPULSOWE I OBROTOWO-KODOWE.
Przetworniki obrotowe są uniwersalnym narzędziem techniki pomiarowej i automatyki umożliwiającym wykonywanie precyzyjnych cyfrowych pomiarów przemieszczeń kątowych i liniowych oraz innych wielkości fizycznych dających się przetworzyć na jedno z powyższych przemieszczeń.
Przetworniki obrotowo-impulsowe wytwarzają ciąg impulsów, których ilość jest proporcjonalna do przebytej drogi kątowej wałka - osi przetwornika.
Uproszczony układ pomiarowy przetwornika impulsowego oraz jego sygnały wyjściowe przedstawiono na rys.3.
D F1
F2
W1
W2
A
B
U
T
A
B
Rys.3. Układ pomiarowy przetwornika impulsowego.
Objaśnienia do rysunku:
D - źródło światła podczerwonego (fotodioda) F1, F2 - detektory światła
U - wał przetwornika T - ruchoma tarcza
W1, W2 - wzmacniacze elektroniczne A, B - wyjściowe sygnały elektryczne
Na obwodzie szklanej tarczy T umocowanej do precyzyjnie ułożyskowanego wału U znajdują się dwie koncentryczne ścieżki I i II pól przeźroczystych i nieprzeźroczystych naniesionych metodą fotolitografii. Pola ścieżki I są przesunięte względem pól ścieżki II.
Po jednej stronie ruchomej tarczy jest umieszczona dioda D będąca źródłem światła podczerwonego, a po drugiej odbiorniki (detektory) tego światła F1 i F2, jeden pod ścieżką I drugi pod ścieżką II. Wirująca tarcza powoduje przysłanianie i odsłanianie tych odbiorników, wywołując tym samym generowanie w nich ciągu sygnału elektrycznego.
Sygnały z fotoelementów F1 i F2 są następnie wzmacniane i kształtowane we wzmacniaczach W1 i W2 w sygnał wyjściowy A i B o określonym standardzie.
Przesunięcie względem siebie pól ścieżek I i II jest takie, że sygnały wyjściowe A i B są przesunięte w fazie o 90°. Przy obrocie wału w jednym kierunku sygnał A wyprzedza sygnał B, w drugim kierunku sygnał B wyprzedza sygnał A o 90°.
Przetwornik obrotowo-impulsowy współpracuje z zewnętrznym rewersyjnym licznikiem impulsów. Jeśli urządzenie to posiada układy rozróżniania kierunku oraz multiplikacji zboczy, uzyskuje się informację o kierunku obrotu oraz czterokrotne zwiększenie rozdzielczości. Z ilości impulsów wnioskujemy o wartości kąta obrotu wału. a z ich kolejności o kierunku tego obrotu.
W przetwornikach obrotowo-kodowych na tarczy szklanej naniesiona jest mozaika pól w postaci 8-mio, 10-cio lub 12-to bitowego naturalnego kodu binarnego lub kodu Graya.
Tarcza ta obraca się między rzędami fotodiod na podczerwień i fotokomórek. Sygnały z fotokomórek są następnie wzmacniane, kształtowane i wyprowadzane na zewnątrz przetwornika. Informacja jest w postaci równoległej, z reguły o poziomach TTL, w naturalnym kodzie binarnym lub kodzie Graya.
Tego typu rozwiązanie daje możliwość odczytywania kąta obrotu wału przetwornika w sposób bezpośredni, w odróżnieniu do przetwornika impulsowego, gdzie należy śledzić i zliczać impulsy w stosunku do pewnego położenia początkowego, z uwzględnieniem kierunku obrotu (zliczanie w górę lub w dół).
W opisanych powyżej przetwornikach obrotowych, często wyprowadzany jest dodatkowy sygnał elektryczny, dla zaznaczenia pewnego wybranego położenia, służący do inicjalizacji pracy urządzeń zewnętrznych współpracujących z przetwornikiem.
W przetworniku impulsowym, raz na pełny obrót pojawia się krótki impuls, nazywany znacznikiem położenia zerowego.
Cyfrowe sygnały wyjściowe przetworników dają możliwość łatwego podłączenia do układów mikroprocesorowych.
2.2. WYKONANIE ĆWICZENIA.
2.2.1. POMIAR KĄTA Z ZASTOSOWANIEM PRZETWORNIKA IMPULSOWEGO.
Przedmiotem badań jest pomiar charakterystyki statycznej przetwornika.
Pomiary przeprowadza się w układzie pomiarowym przedstawionym na rys.4.
Rys.4. Schemat pomiarowy do badań przetwornika impulsowego.
PI - badany przetwornik Z - zasilacz 5V
L – licznik impulsów R - pulpit sterowniczy
Badany przetwornik PI zasilany jest napięciem stałym 5V poprzez pulpit sterowniczy R. W pulpicie sterowniczym znajduje się układ elektroniczny, którego zadaniem jest identyfikacja kierunku obrotu wału przetwornika i w zależności od tego przesyłanie impulsów wyjściowych do wyjścia P lub L, a następnie do licznika impulsów L. Przy
PI
P
R
L
Z
+5V
+
L
_
obrocie wału przetwornika w prawo, licznik dodaje, a przy obrocie w lewo odejmuje impulsy. Na liczniku można odczytać ilość impulsów oraz zmierzoną wartość kąta w stopniach i radianach.
W zastosowanym w ćwiczeniu przetworniku przy pełnym obrocie wału zostaje wygenerowanych 2500 impulsów.
Wypadkowy kąt obrotu m oblicza się na podstawie wskazań licznika L w/g zależności:
2500 360 L
α
m
[°] (1)2.2.2. PROCEDURA POMIAROWADLA PRZETWORNIKA IMPULSOWEGO
Celem pomiarów jest wyznaczenie charakterystyki przetwornika: zależności kąta zmierzonego w funkcji kąta zadanego dla pełnego obrotu wału, gdzie zadany kąt odczytywany jest z podziałki kątowej naniesionej na wale przetwornika, a następnie porównanie wartości zadanego kąta z odczytami na liczniku i obliczonej w/g zależności (1).
1. Ustawić napięcie zasilacza Uz=5V.
2. Połączyć układ pomiarowy w/g rys.4.
3. Ustawić wałek przetwornika w pozycji =0
4. Wyzerować licznik.
5. Zdjąć charakterystykę przetwornika
L f ( )
dla pełnego obrotu wałka.6. Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w następującej tabeli:
[]
L L[] L[rad] m []
0 30
360
Wykreślić zależność =f(L).
2.2.3 POMIAR KĄTA Z ZASTOSOWANIEM PRZETWORNIKA KODOWEGO
Przedmiotem badań jest automatyczny pomiar charakterystyki statycznej przetwornika kodowego. Pomiary przeprowadza się w układzie pomiarowym przedstawionym na rys.5.
Rys.5. Schemat pomiarowy do badań przetwornika kodowego.
Badany przetwornik PK zasilany jest napięciem stałym 5V poprzez pulpit sterowniczy R.
Informację wyjściową przetwornika kodowego stanowi 12 bitowe słowo w kodzie Graya.
Dzięki zastosowaniu tarczy kodowej informacja o aktualnie mierzonym kącie jest jednoznacznie określona poprzez 12 bitowe słowo wyjściowe.
Kod Graya ma tę właściwość, że słowa reprezentujące kolejne liczby (kolejne położenie kątowe wału przetwornika) różnią się między sobą wartością tylko jednego bitu. Aby liczba zapisana w kodzie Graya była przydatna dla użytkownika, należy dokonać zamiany tej liczby na liczbę w kodzie dwójkowym.
PK R K
Z
+5V
Zależność między kodem Graya (C=c7c6...c0) a kodem dwójkowym ( B= b7b6...b0) jest następująca:
b7=c7
bi = ci+ bi+1
i=0,1,...n-1
c c c c c c c c
b b b b b b b b
C
B 7
7
6 6
5 5
4 4
3 3
2 2
1 1
0 0
+ + + + + + +
Liczba w kodzie dwójkowym może być poddana dalszemu przetwarzaniu w komputerze.
Przetwornik PK dołączony jest do komputera za pomocą karty we/wy 8255. W ćwiczeniu należy zaobserwować na ekranie monitora przebieg charakterystyki Uwy=f() dla pełnego obrotu wału PK. Kąt zadany odczytywany jest z podziałki kątowej umieszczonej przy wale PK.
2.2.4. PROCEDURA POMIAROWA DLA PRZETWORNIKA KODOWEGO
Czynności wstępne:
1. Połączyć układ pomiarowy w/g rys.5.
2. Ustawić napięcie zasilacza Uz=5V.
3. Włączyć komputer i uruchomić program C:\LAB\pomkat.exe 4. Stosować się do poleceń na ekranie monitora.
2.2.5. Sprawdzenie poprawności pomiaru zadanego kąta.
1.Za pomocą pokrętła przetwornika PFK 75 ustawić dowolnie wybrany kąt.
2. Odczytać wartość ustawionego kąta zapisaną w kodzie Graya, w kodzie naturalnym dwójkowym (NB) oraz z kodu NB na kąt dziesiętny (wartość kąta wyrazić w stopniach, minutach i sekundach); wyniki wpisać do tabeli 1.
Tab.1
Kod Graya Kod NB Kąt odczytany Kąt obliczony
2.2.6. Określenie rozdzielczości pomiaru kąta.
1. Ustawić kąt 0 tak, aby wartość kąta zapisana w kodzie NB była (0000000000000000)2.
2. Odczytać wartość ustawionego kąta w stopniach (x1).
3. Zmienić ustawioną wartość kąta tak, aby jedynka wystąpiła na najmniej znaczącej pozycji w słowie zapisanym w kodzie NB (0000000000000001)2.
4. Odczytać wartość ustawionego kąta w stopniach (x2).
5. Obliczyć różnicę x = x1 - x2 .
2.2.7. Wyznaczanie charakterystyki błędu ustawienia kąta.
Wyznaczanie charakterystyki dokonuje się w zakresie kąta od 0 do 330.
1. Ustawić kąt 0 (odczytany z podziałki umieszczonej na przetworniku PFK75).
2. Za pomocą klawisza S ustawić żądany skok (wyrażony w minutach).
3. Za pomocą strzałek oraz ustawić kąt zadany.
4. Nacisnąć klawisz Z w celu zapamiętania pomiaru w zbiorze.
5. Ustawić nową wartość kąta za pomocą pokrętła przetwornika.
6. Powtórzyć czynności opisane powyżej w zakresie kąta od 0 do 330.
7. Nacisnąć klawisz W w celu obejrzenia wykresu błędów.
8. Nacisnąć klawisz D w celu wydrukowania wykresu.
Literatura.
1. „ Miernictwo elektryczne. Ćwiczenia laboratoryjne.” WAT, Warszawa 1988.
2. Sadowski A., Sobol J. „Metrologia długości i kąta”. WNT, Warszawa 1978.
3. B. Szumielewicz, B. Słomski, W. Styburski „Pomiary elektroniczne w technice”. WNT, Warszawa 1982.
4. A. Chwaleba, J. Czajewski „Przetworniki pomiarowe wielkości fizycznych”. WPW, Warszawa 1993.
5. Misiurewicz P. „Układy mikroprocesorowe”. WNT, Warszawa 1983.
6. Sadowski A., Sobol J. „Metrologia długości kąta”, Warszawa 1978.
