Технический университет

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра приборов контроля и систем экологической безопасности

Первичные преобразователи

Рабочая программа

Методические указания к изучению дисциплины

Задание на курсовую работу

Факультет технологии и автоматизации управления в машиностроении

Направление и специальность подготовки

дипломированного специалиста:

653700 — приборостроение

Специализации:

190100 – приборостроение

190105 – контрольно-измерительные приборы и системы;

190120 – приборы и системы таможенного экспортного и импортного контроля

Направление подготовки бакалавра:

551500 – приборостроение

Санкт-Петербург

2005

Утверждено редакционно–издательским советом университета

УДК 62-791.2 (035.5)

Первичные преобразователи: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задание на курсовую работу. -СПб.: Изд-во СЗТУ, 2005.-38с.

Учебно-методическое пособие разработано в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 653700–«Приборостроение» (специальность 190100–«Приборостроение», специализации: 190105–«Контрольно-измерительные приборы и системы», 190120–«Приборы и системы таможенного экспортного и импортного контроля») и направлению подготовки бакалавра 551500–«Приборостроение».(Специализации: 190105 –«Контрольно-измерительные приборы и системы», 190120–«Приборы и системы таможенного экспортного и импортного контроля»).

Дисциплина охватывает основные классы первичных преобразователей, включающих в себя понятия передаточной функции, чувствительности преобразователей к измеряемой физической величине, схеме включения в измерительную цепь, некоторые варианты использования первичных преобразователей в контрольно-измерительных приборах и их конструктивные особенности. Приведена рабочая программа дисциплины, даны методические указания к ее изучению, представлены варианты заданий на курсовую работу.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов 4-го курса, изучающих дисциплину «Первичные преобразователи».

Рассмотрено на заседании кафедры приборов контроля и систем экологической безопасности 14 февраля 2005 г и одобрено методической комиссией факультета технологий и автоматизации управления в машиностроении 18 апреля 2005 г.

Рецензенты: кафедра приборов контроля и систем экологической безопасности (зав. каф. А.И. Потапов д-р техн. наук, проф.; Ю.А.Аруцов, канд. техн. наук, проф.); С.Е.Парахуда, канд. техн. наук, доц. кафедры квантовой электроники и биомедицинской оптики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Северо-западный государственный заочный технический университет, 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цель преподавания дисциплины «Первичные преобразователи»

Целью преподавания курса является подготовка инженеров, знакомых с методами выбора первичных преобразователей контрольно-измерительных средств для машиностроения и имеющих достаточную квалификацию для эксплуатации и проектирования контрольно-измерительных преобразователей.

Задачи изучения дисциплины «Первичные преобразователи»

Задачи дисциплины следующие: изучение теории преобразования физических величин, принципов построения и проектирования первичных преобразователей, схем включения первичных преобразователей; привитие навыков экспериментирования в области измерения механических величин и параметров электрическими методами.

Связь дисциплины с другими дисциплинами

Дисциплина «Первичные преобразователи» базируется на знаниях, полученных при изучении общетеоретических дисциплин, в том числе: «Высшая математика», «Физика», «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов» а также общеинженерных дисциплин: «Теория механизмов и машин»,

«Детали приборов», «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения», «Основы метрологии, точность и надежности», «Элементы точных приборов».

Знания, полученные при изучении дисциплины «Первичные преобразователи», используются в дисциплинах «Электронные устройства контроля и микропроцессоры», «Теория и проектирование автоматизированных контролирующих систем».

Первичные контрольно-измерительные преобразователи рассматриваются в совокупности с входными цепями, а в некоторых случаях даются сведения и об обработке информационно-измерительного средства.

Объем дисциплины не позволяет охватить все типы первичных контрольно-измерительных преобразователей, применяемых в различных средствах измерений.

Поэтому в данной дисциплине в основном рассматриваются преобразователи механических величин, электрические, емкостные, электромагнитные, термоэлектрические, пьезоэлектрические и оптические преобразователи, получившие наибольшее распространение в машиностроении. Основное же изучение материала дисциплины проводится студентом самостоятельно.

1.СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

«ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ»

1.1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ПО ГОС

Преобразование измерительных сигналов в приборах; типы преобразователей и преобразование ими сигналов; линейные и нелинейные преобразователи; информационные аспекты преобразования сигналов; количество информации; потери информации при преобразовании сигналов; преобразователи различных физических величин и полей; взаимность и обратимость преобразователей; уравнения и параметры преобразователей; помехозащищенность; взаимодействие преобразователей с внешней средой.

1.2. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

(объем дисциплины 90 часов)

1.2.1 Введение

Назначение дисциплины. Значение первичных измерительных преобразователей для автоматизации измерений и контроля в машиностроении. Общие вопросы проектирования преобразователей. Определение понятия «первичные преобразователь». Ряды предпочтительных номиналов, рекомендуемых для проектирования преобразователей. Характеристики эксплуатационных условий преобразователей и методы их описания. Развитие техники первичных измерительных преобразователей. Проявление закона отрицания в развитии методов измерения. Скачкообразный характер развития контрольно-измерительных первичных преобразователей.

1.2.2.Физические величины и контролируемые параметры

Физическая величина. Контролируемый параметр. Механические входные характеристики. Выходной сигнал. Методы преобразования физических величин. Рабочие условия измерений и контроля. Унификация параметров сигналов. Измерение параметров процессов.

1.2.3.Общие характеристики измерительных первичных преобразователей

Классификация измерительных преобразователей. Генераторные и параметрические преобразователи. Статические характеристики: функция преобразования, чувствительность, порог чувствительности, линейчатость, гистерезис, последействие, диапазон измерения. Диалектические противоречия точности и диапазона измерений. Разрешение противоречия при повышении точности с одновременным увеличением диапазона за счет применения многозначных мер. Информационные характеристики первичных преобразователей. Динамические характеристики первичных преобразователей: частотные, фазовые, переходные характеристики.

Быстродействие. Диалектическое противоречие точности и быстродействия. Критика метафизического тезиса «Обмен точности на быстродействие» и разрешение этого противоречия при реализации «прерывистости информации».

Точностные характеристики. Составляющие основной параметр погрешности первичных преобразователей. Выход параметров первичного преобразователя за допускаемые пределы в процессе эксплуатации первичных преобразователей как результат действия закона о переходе количественных изменений в качественные. Повышение надежности средств измерений в результате выявления причинно-следственных связей в структуре преобразователей.

1.2.4.Электроконтактные первичные преобразователи

Схемы, принцип действия и функции преобразования. Контакты, процессы в межконтактном зазоре. Вольт-амперная характеристика межконтактного зазора. Схемы включения электроконтактных преобразователей. Передаточные механизмы электроконтактных преобразователей. Преобразователи электрического контактирования. Область применения электроконтактных преобразователей.

1.2.5.Резистивные первичные преобразователи

Потенциометрические первичные преобразователи. Характеристики преобразователей. Влияние нагрузки на линейность преобразования. Области применения резистивных преобразователей. Тензометрические преобразователи. Параметры преобразователей. Схемы включения тензометров. Их свойства и область применения.

1.2.6. Электромагнитные преобразователи

Физические основы преобразования электромагнитных величин. Классификация преобразователей. Индуктивные преобразователи с открытой и закрытой цепью. Дифференциальные и недифференциальные преобразователи. Преобразователи с изменяющимся свободным зазором и с изменяющейся площадью зазора. Соотношения, определяющие основные характеристики индуктивных преобразователей. Функции преобразования. Линейность. Влияние высших гармоник. Схемы включения индуктивных преобразователей. Области применения индуктивных преобразователей.

Магнитоупругие преобразователи: принцип действия и основные свойства, области применения.

Индукционные преобразователи. Основные соотношения. Типы преобразователей. Области применения.

Физические основы вихревого потока. Типы преобразователей. Зависимости, определяющие глубину проникновения вихревых токов от частоты и физических свойств материалов.

Магнитоэлектрические преобразователи. Прямое и обратное преобразование. Функции преобразования, чувствительность, диапазон преобразования, линейность, гистерезис, последействие.

Требования к элементам преобразователей. Области применения магнитоэлектрических преобразователей.

1.2.7. Электростатические преобразователи

Физические основы пьезоэлектрических преобразователей. Пьезоэффект. Свойства пьезоэлектрических материалов. Характеристики преобразователей. Области применения пьезоэлектрических преобразователей.

Емкостные преобразователи. Принцип действия и свойства. Измерительные цепи. Типы преобразователей и расчетные соотношения, определяющие основные параметры преобразователей. Функция преобразования. Характеристики преобразователей. Область применения емкостных преобразователей.

1.2.8. Электронно-механические преобразователи

Принцип действия. Схемы включения. Применение механотронов.

1.2.9. Фотоэлектрические преобразователи

Физические основы фотоэлектрических преобразователей. Приемники излучения с внешним и внутренним фотоэффектом. Анализаторы фотоэлектрических преобразователей.

Детекторы. Преобразователи считывания. Компенсационные преобразователи. Фотоэлектрические микроскопы. Фазовые преобразователи. Оптико-электронные первичные преобразователи.

1.2.10. Телевизионные первичные преобразователи

Основные характеристики телевизионных методов контроля. Область применения телевизионных средств контроля.

1.2.11. «Первичные преобразователи»: Пневмоэлектрические преобразователи

Характеристики преобразователей.

1.3. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (20 ЧАСОВ)

1. Введение. Физические величины и контролируемые параметры. Общие характеристики измерительных первичных преобразователей. 4часа

2. Преобразователи механического сигнала 2 »

3. Электроконтактные, резистивные и тензометрические первичные преобразователи 2 »

4. Пьезоэлектрические преобразователи 4 »

5. Фотоэлектрические преобразователи 2 »

6. Электромагнитные преобразователи 4 »

7 Термоэлектрические преобразователи 2 »

1.4. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (4 ЧАСА)

Нахождение функций преобразования и расчет чувствительности к измеряемым физическим величинам первичных преобразователей различного типа.

1.5. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (8 часов)

1. Исследование преобразователей механического сигнала 2 часа

2. Исследование фотоэлектрического первичного преобразователя 2 »

3. Исследование пьезоэлектрического первичного преобразователя 2 »

4. Исследование термоэлектрического первичного преобразователя

(болометра) 2 »

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основной:

Электрические измерения неэлектрических величин: Учеб. пособие/Под ред. П.В. Новицкого. – М.: Энергия, 1975.

Теория и проектирование контрольных автоматов: Учеб. пособие/Л.Н. Воронцов, С.Ф. Корндорф, В.А. Трутень и др. –М.: Высш. школа, 1980.

Бондар В.А. Приборы первичной информации: Учеб пособие. – М.: Машиностроение, 1981.

Проектирование датчиков для измерения механических величин/Под ред. Е.П. Осадчего. – М.: Машиностроение, 1979.

Поляков В.Е., Потапов А.И., Сборовский А.К. Ультразвуковой контроль качества конструкций. – Л.: Судостроение, 1978.

Дополнительный:

Методы неразрушающих испытаний /Под ред. Р. Шарпа. — М.: Мир, 1972.

Методы и приборы ультразвуковых исследований. ЧА, т. 1. Физическая акустика/Под ред. У. Мэзона. – М.: Мир, 1966.

Бридли К. Измерительные преобразователи. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

Поляков В.Е., Потапов А.И. Первичные пьезоэлектрические преобразователи. – СПб.: СЗТУ, 1993.

Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1970.

Федотов А.И. Измерительные устройства систем управления технологическим оборудованием. – Л.: СЗПИ, 1974.

Телевидение /Под ред. П.В. Шмакова. – М.: Связь, 1970.

Ельяшкевич С.А. Телевизионные приемники. – М.: Связь, 1978.

Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение. – СПб.: Гуманистика, 2004.

Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. – М.: Мир, 1972.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ «ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ»

В процессе изучения дисциплины «Первичные преобразователи» студент выполняет одну курсовую работу, состоящую из пяти задач, а также четыре лабораторные работы. По окончании изучения дисциплины студент сдает зачет по материалам лабораторных работ и экзамен по теоретической части курса.

3.1. ВВЕДЕНИЕ

[4], с. 3…27 или [1] ,[5], [6]

Проблемы создания первичных преобразователей приобретают особую актуальность в связи с широким размахом научных исследований и растущими потребностями материального производства, внедрением автоматизированных систем управления в различные отрасли техники.

Студенту необходимо изучить классификацию преобразователей, усвоить определение понятия «первичные преобразователь», характеристики эксплуатационных условий преобразователей и методы их описания. Следует также ознакомится с ролью советских ученых в развитии основных положений современной теории измерительных устройств и перспективами развития этой отрасли.

Вопросы для самопроверки

Что подразумевается под понятием «первичные преобразователь»?

Какие типы преобразователей получили наибольшее распространение в измерительной технике?

В чем проявляется скачкообразный характер развития контрольно-измерительных преобразователей?

3.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ

[4], с. 7…11 или [1]

Этот раздел содержит в основном справочный материал. Студент должен усвоить такие понятия, как «физическая величина», «контролитруемый параметр», «входной сигнал», «методы преобразования физических величин». Необходимо изучить механические, электрические, электромагнитные, пьезоэлектрические и оптические величины и физические принципы их преобразования. Для преобразования величин в удобную для передачи и восприятия форму необходимо изучить различные физические явления: тензорезистивный, пьезоэлектрический эффекты, эффект изменения электрической емкости, эффекты, основанные на электромагнитных явлениях, эффекты изменения частоты и наведения электрического заряда.

Среди других явлений, используемых для преобразования физических величин, нужно изучить также электронную и фотоэлектронную эмиссию, эффект Холла и ядерный магнитный резонанс.

Вопросы для самопроверки

Сформулировать определения «физической величины» и «контролируемого параметра».

Указать методы преобразования физических величин.

Что такое механический сигнал? Каким образом производится измерение параметров механического сигнала?

Какие типы физических величин вам известны?

Перечислите известные вам физические явления, получившие наибольшее распространение при создании первичных преобразователей.

3.3. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

[4], с 28…68 или [3], [5], [8] ,[9]

Для более глубокого усвоения данной темы студент должен изучить характеристики эксплуатационных условий преобразователей и методы их описания. Так, изучив классификацию измерительных преобразователей (генераторных и параметрических), студент должен уметь определять функцию преобразования, чувствительность и порог чувствительности, линейность, гистерезис, последействие и диапазон измерений.

Анализ функции преобразования является общим для любых преобразователей и измерительных цепей и может использоваться как для анализа характеристик и параметров преобразователей, так и для научно обоснованного синтеза структурных схем измерительных устройств.

Вопросы для самопроверки

Начертите структурные схемы тензорезисторного преобразователя усилий, индуктивного преобразователя усилий.

Покажите структурную схему прямого преобразователя.

Покажите структурную схему параметрических преобразователей.

Укажите общие приемы анализа функции преобразования измерительных устройств.

3.4. ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

[4], с. 275…279 или [1], [2], [3]

Студенту необходимо изучить схемы, принцип действия и функции преобразования. Особое внимание следует обратить на процессы, протекающие в межконтактном зазоре, передаточные механизмы межконтактных преобразователей.

Вопросы для самопроверки

Перечислите основные характеристики электроконтактного первичного преобразователя.

Приведите вольт-амперную характеристику межконтактного зазора.

Укажите область применения электроконтактных преобразователей.

3.5. РЕЗИСТИВНЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

[4], с. 246…268 или [1], [3]

В этом разделе студенту необходимо изучить принцип действия, область применения и характеристики резистивных преобразователей.

Особое внимание уделить тензометрическим преобразователям, их параметрам, схемам включения и преобразования деформации к относительному изменению сопротивления.

Вопросы для самопроверки

Перечислите основные характеристики потенциометрических и тензометрических преобразователей.

Укажите, как влияет нагрузка на линейность преобразования?

Какие существуют типы тензометрических преобразователей?

3.6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

[4], с. 211…245 или [3], [7], [14]

Электромагнитные преобразователи нашли широкое применение как в научных исследованиях, так и при автоматизации производственных процессов. Многообразие электромагнитных преобразователей разделяют на две группы, реализующие две основные разновидности функции преобразования.

Первую группу составляют параметрические электромагнитные преобразователи, которые могут быть индуктивными и трансформаторными.

Студент должен иметь необходимые знания о преобразователях с переменной длиной воздушного зазора и с изменяющейся площадью зазора.

Особую важность представляет умение студента свободно пользоваться соотношениями, определяющими основные их характеристики. Функции преобразования и область применения.

В этом же разделе рассматриваются трансформаторные и магнитоупругие преобразователи. Студент должен уметь производить оценку линейного участка преобразования.

Следует также обратить внимание на характеристики и свойства магнитоупругих преобразователей, базирующихся на магнитоупругом эффекте, проявляющемся в изменении магнитных свойств ферромагнитных материалов под действием механических напряжений.

Изучить магнитострикционный эффект, типы преобразователей и физические основы вихретокового контроля.

Проанализировать возможности магнитоэлектрических преобразователей при прямом и обратном преобразовании.

Вопросы для самопроверки

Укажите типы электромагнитных преобразователей.

Укажите отличия между дифференциальными и недифференциальными электромагнитными преобразователями.

Укажите основные соотношения, определяющие характеристики индуктивных преобразователей.

Перечислите схемы включения индуктивных преобразователей.

Объясните принцип действия магнитоупругих и магнитострикционных преобразователей.

Укажите основные области применения электромагнитных преобразователей.

3.7. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

[4], с. 178…210, 332…346 или [6], [7], [8], [9], [15]

При изучении этого раздела студент должен изучить описание механизма пьезоэффекта. Следует понимать различие в прямом и обратном пьезоэффекте, ознакомиться со свойствами пьезоэлектрических материалов и температурными характеристиками пьезоэлектриков.

Не менее важным является изучение конструктивных особенностей пьезоэлектрических преобразователей (акселерометров, датчиков акустического давления) и схем включения пьезоэлектрических преобразователей в измерительные цепи.

В этом же разделе рассматриваются общие принципы построения емкостных преобразователей, представляющих собой электрические конденсаторы, емкости которых меняются вследствие изменения под действием измеряемой величины площадей перекрытия обкладок, расстояний между обкладками или диэлектрической проницаемости среды.

Студенту важно изучить типы преобразователей и расчетные соотношения, определяющие основные параметры преобразователей, а также области их применения.

Вопросы для самопроверки

Объясните механизм явления пьезоэффекта.

В чем отличие между прямым и обратным пьезоэффектом?

Какие пьезоэлектрические материалы получили наибольшее применение в пьезоэлектрических преобразователях?

Назовите конструктивные особенности пьезопреобразователей и области их применения.

Укажите общие принципы проектирования емкостных преобразователей.

Укажите основные параметры емкостных уровнемеров, измерителей несплошности и датчиков манометров.

3.8. ЭЛЕКТРОННО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

[12], с. 41…49 или [1]

В этом разделе студент должен изучить основные принципы конструирования механотронов, схемы включения их в измерительную цепь, а также знать область применения.

Вопрос для самопроверки

1. Назовите основные характеристики механотронов и их конструктивные особенности.

3.9. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

[11], с. 266…286 или [9], [10]



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | Вперед → | Последняя | Весь текст