Исследование емкостно-диодной измерительной схемы (стр. 1 из 7)
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДРАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Измерительно-вычислительные комплексы»
Курсовая работа
по дисциплине «Технология измерительного эксперимента»
на тему: «Исследование емкостно-диодной измерительной схемы»
Выполнил студент группы МПд – 51
Саушкин А.И.
Проверил преподаватель
Шивринский В.Н.
Ульяновск 2010
Оглавление.
| Введение | 3 |
| 2). Постановка задачи | 4 |
| 2.1. Обзор существующих емкостно-диодных схем и преобразователей | 4 |
| 3). Подготовка измерений | 17 |
| 3.1. Подготовка алгоритмов решения задачи измерения | 17 |
| 3.2. Методы уменьшения погрешностей измерения, выявление и устранение причин возникновения погрешностей | 18 |
| 3.2.1. Метод инвертирования | 20 |
| 3.2.2. Метод замещения | 21 |
| 3.2.3. Метод вспомогательных измерений | 23 |
| 3.2.4. Метод симметричных наблюдений | 23 |
| 3.3. Построение технологической карты для обобщенной программы подготовки к проведению измерений | 24 |
| 4). Проведение эксперимента | 28 |
| 4.1. Построение обобщенной программы для проведения измерений | 30 |
| 5). Обработка результатов измерений | 32 |
| 5.1. Построение технологической карты для обобщенной программы обработки результатов измерений. | 33 |
| 6). Оформление результатов измерений | 34 |
| Заключение | 39 |
| Список литературы | 40 |
Введение
Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения различных физических величин – электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т. д.
Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины.
Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной. Применение измерительных преобразований является единственным методом практического построения любых измерительных устройств. Измерительный преобразователь – это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное преобразование.
В данной курсовой работе рассматривается и исследуется емкостно – диодная измерительная схема преобразователей перемещения и уровня. Подробно описан принцип работы и область применения. Даны амплитудно – частотные характеристики схемы.
Постановка задачи
Обзор существующих емкостно-диодных схем и преобразователей.
Электростатический преобразователь (ЭС) представляет собой два или несколько тел, между которыми действует электрическое поле.
Простейший ЭС содержит два электрода площадью S , параллельно расположенных на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью e .
С электрической стороны преобразователь характеризуется напряжением U между пластинами, током
i = dq/dt (1)
зарядом
q = CU (2)
где С – емкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин
C = eS/d (3)
энергией электрического поля
Wэ = qU/2 = CU 2/2 (4)
Если одна из пластин (или диэлектрик между ними) имеет возможность перемещаться, то с механической стороны преобразователь характеризуется жесткостью подвеса подвижной пластины w, перемещением ее x , скоростью перемещения
v = dx/dt (5),
электростатической силой притяжения
fэс = dWэ/dx (6)
В качестве ЭС преобразователей используются также запертые p – n - переходы: p -и n - области играют роль пластин, разделенных обедненным слоем, ширина d которого возрастает при увеличении запирающего напряжения.
Взаимосвязь механической и электрической сторон преобразователя отражается уравнениями:
dF = wx + E0C0 u (7);
dq = E0C0 x + C0 u (8).
Эти уравнения даны в предположении, что u и x малы по сравнению с начальными напряжением и зазором и, следовательно, емкость C0 и напряженность поля E0 постоянны. Из приведенных уравнений видно, что любое воздействие с механической стороны меняет электрическое состояние преобразователя и, наоборот, изменение электрического поля приводит к изменению механических характеристик. Коэффициент электромеханической связи kэм = E0C0 (9). Эта взаимосвязь должна учитываться при применениях ЭС преобразователей.
Таким образом, изменение емкости посредством механических воздействий можно производить путем изменения зазора d , площади S , материала диэлектрика (e), а также изменения e за счет механических деформаций диэлектрика.
Выходной величиной электростатического преобразователя может быть:
а) изменение емкости C
б) сила fэс
в) ЭДС , генерируемая при взаимном перемещении электродов, находящихся в электрическом поле.
Для ЭС преобразователей, в которых изменяется емкость, входными величинами могут быть механическое перемещение, изменяющее зазор или площадь, или изменение диэлектрической проницаемости e под действием изменения температуры или состава диэлектрика.
Эквивалентная схема ЭС преобразователя, схематическая конструкция которого показана на рис. 1, а, приведена на рис. 1, б. В эквивалентной схеме учитываются емкость C0 между электродами 1 и 2, сопротивление Rут изоляции между электродами, сопротивление r и индуктивность L кабеля К, а также паразитная емкость CП между электродами и заземленными деталями конструкции и между жилой кабеля К и его заземленным экраном Э.
Влияние отдельных элементов схемы учитывается в зависимости от конкретных обстоятельств. Так, при работе на низкой частоте сопротивление конденсатора велико и влияние индуктивности и сопротивления ввода не сказывается. При работе на высоких частотах сопротивление конденсатора падает, и большую роль начинают играть индуктивность и сопротивление ввода, в то время как шунтирующее действие сопротивления утечки перестает сказываться. В этом случае удобнее последовательная эквивалентная схема преобразователя (рис. 1, в), где
rэкв = r и Сэкв = С0 + СП(10)
Влияние сопротивления утечки может выть учтено соответствующей добавкой в сопротивлении
rэкв = r + 1/ (w2 C 2эквRут) (11)
Эффективная емкость Сw на высокой частоте оказывается за счет индуктивности L больше емкости Сэквибо
Сw = Cэкв /(1 – w2LCэкв) (12)
Действие индуктивности токоподводов начинает сказываться обычно на частотах свыше 10 МГц.
В эквивалентной схеме ЭС преобразователя с диэлектриком должны быть учтены потери в последнем. Из-за потерь в ЭС преобразователе сдвиг фаз между напряжением и током оказывается меньше p/2 на угол потерь d.
Последовательная и параллельная схемы, учитывающие потери в диэлектрике, представлены на рис. 1, г. Эквивалентные сопротивления для этих схем выражают часто через приводимый в справочных данных тангенс угла потерь d как
R1экв = tg d / (wC1экв) или R2экв = 1/( w2экв tg d ). (12)
Емкости С1экви С2экв связаны между собой зависимостью
С2экв = С1экв /(1+ tg d ), (13)
и, так как обычно tg<<1, можно считать приблизительно равными:
С1экв= C2экв = Сэкв .
В образцовых воздушных конденсаторах tg d не превышает 5*10 –5, так как определяется только потерями в изоляции и в материале электродов.
В конденсаторах с диэлектриком угол потерь значительно больше и, кроме того, может зависеть от напряжения на конденсаторе, частоты, температуры и влажности.
 |
В некоторых случаях при наличии диэлектрика между электродами преобразователя приходится считаться с тем, что после поляризации диэлектрики еще в течение какого-то времени (0,1 – 2 с) сохраняют заряд (абсорбция), что приводит к остаточным напряжениям, достигающим нескольких процентов от значения приложенного напряжения. Влияние абсорбции в эквивалентной схеме конденсатора в первом приближении можно учесть включением параллельно емкости С0цепочки, состоящей из емкости Са и сопротивления R а . Поэтому полная эквивалентная схема ЭС преобразователя может быть представлена в виде рис. 1, д .
Рис. 1 Эквивалентная схема ЭС преобразователя