Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Велегура В.А. Информационные устройства и системы в мехатронике. Методические указания к лабораторным работам - файл МРпоЛР-ИУиСМ.doc


Велегура В.А. Информационные устройства и системы в мехатронике. Методические указания к лабораторным работам
скачать (3905.6 kb.)

Доступные файлы (12):

subDiode.vi
subOpAmp.vi
sub Thermistor.vi
ЛР1-впд.vi
ЛР2-впд.vi
ЛР3-впд.vi
ЛР4-впд.vi
ЛР5-впд.vi
ЛР6-впд.vi
ЛР7-впд.vi
ЛР8-впд.vi
МРпоЛР-ИУиСМ.doc4433kb.12.09.2006 10:37скачать

содержание
Загрузка...

МРпоЛР-ИУиСМ.doc

  1   2   3
Реклама MarketGid:
Загрузка...




Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования
Южно-Российский Государственный Технический Университет

(Новочеркасский Политехнический Институт)

_______________________________________________________

Велегура В. А.

Информационные устройства и системы

в мехатронике
Методические указания к лабораторным работам


Новочеркасск 2006

УДК 621.316.53

Рецензент канд. техн. наук, доцент Гринченков В.П.
Велегура В.А.

Информационные устройства и системы в мехатронике. Методические указания к лабораторным работам. / Южно-Российский государственный технический университет – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. с.


В пособии изложена методика и особенности выполнения лабораторных работ по дисциплине «Информационные устройства и системы в мехатронике» Приведены общие теоретические положения, программа и порядок выполнения лабораторных работ, требования к отчету и контрольные вопросы для их защиты.

Методические указания предназначены для студентов специальности (22040165) Мехатроника, выполняющих цикл лабораторных работ по дисциплине «Информационные устройства и системы в мехатронике».

 Южно-Российский государственный

технический университет, 2006

 Велегура В.А., 2006

ВВЕДЕНИЕ


Лабораторные работы по дисциплине «Информационные устройства и системы в мехатронике» проводятся для изучения особенностей построения и электрических характеристик датчиков и элементов сопряжения, используемых в информационных устройствах и системах мехатроники. В ходе лабораторных занятий закладываются навыки научного анализа и обобщения результатов экспериментальных исследований с целью углубления и закрепления теоретических знаний, полученных студентами на лекциях. На лабораторных занятиях студентам прививаются практические навыки работы с лабораторным оборудованием, измерительной и вычислительной техникой.

В соответствии с учебной программой студенты выполняют восемь лабораторные работы, каждая из которых рассчитана на два часа учебных занятий.

Лабораторная работа № 1 – "Исследование резистивных датчиков положения".

Лабораторная работа № 2 – "Исследование автомобильного датчика температуры".

Лабораторная работа № 3 – "Исследование характеристик операционного усилителя".

Лабораторная работа № 4 – "Исследование импедансов электронных элементов".

Лабораторная работа № 5 – "Исследование характеристик оптических датчиков".

Лабораторная работа № 6 – "Исследование спектров периодических сигналов".

Лабораторная работа № 7 – "Исследование цифровых схем мехатроники".

Лабораторная работа № 8 – "Исследование характеристик датчика скорости".

Лабораторные работы выполняются на лабораторных комплексах, построенных на основе платформ ^ National Instruments ELVIS, поддерживаемых с помощью пакета графического программирования LabVIEW.

Каждая лабораторная работа включает в себя:

  1. Подготовку к выполнению работы.

  2. Непосредственное выполнение лабораторной работы.

  3. Подготовку отчета по лабораторной работе и его защиту.

При подготовке к лабораторному занятию студенту в часы самостоятельной работы необходимо:

внимательно изучить методические указания к лабораторной работе, которую необходимо выполнить на предстоящем занятии;

используя рекомендованную литературу и конспект лекций, усвоить основные теоретические сведения, методы и технику измерений по данной работе, подготовить ответы на контрольные вопросы;

изучить лабораторную установку и измерительную аппаратуру, которая используется в данной работе;

подготовить проект отчета по работе, отразив в нем наименование работы, её цель, схему лабораторной установки и заготовки таблиц для записи результатов экспериментальных исследований.

Добросовестная подготовка к работе обеспечивает быстрое и качественное её выполнение, сокращает время на составление отчета.

Вначале занятия преподаватель в ходе коллоквиума проверяет уровень теоретической подготовки студента, знание им лабораторной установки и вопросов методики и техники измерений. Неподготовленные студенты к выполнению лабораторной работы не допускаются.

В ходе выполнения лабораторной работы необходимо:

1. Строго соблюдать меры техники безопасности при работе с электроустановками и измерительными приборами.

2. Соблюдать порядок включения и эксплуатации измерительных приборов при проведении экспериментальных измерений.

3. Тщательно и точно выполнять измерения.

4. Аккуратно вести отчет по работе, записывая в него все экспериментальные данные, схемы, таблицы, графики, необходимые расчеты и выводы.

После выполнения лабораторной работы каждый студент представляет для защиты отчет.

Отчет по лабораторной работе должен быть оформлен в соответствии со стандартом, и содержать наименование работы и её цель. В отчете необходимо изобразить схему лабораторной установки и указать программу выполнения работы. Далее приводятся номер и наименование проводимых экспериментов, таблицы с результатами измерений и графические зависимости. По каждому графику делаются соответствующие выводы. Отчет по работе может быть подготовлен с помощью персонального компьютера.

^ Глава 1. ЛАБОРАТОРНАЯ ПЛАТФОРМА NI ELVIS
Программно-аппаратная среда NI ELVIS включает в себя аппаратную составляющую для построения схем и выполнения измерений и программное обеспечение NI ELVIS. Аппаратная составляющая представляет настольную рабочую станцию (рис. 1.1), оснащенную специальной макетной платой, на которой можно собирать (макетировать) и исследовать любую электронную схему.



Рис. 1.1. Настольная рабочая станции NI ELVIS

Рабочая станция связана с персональным компьютером по шине PCI через специальную плату DAQ, которая установлена в компьютере. Аппаратное обеспечение NI ELVIS включает в себя функциональный генератор и регулируемые блоки питания, встроенные в настольную рабочую станцию. Их органы управления выведены на переднюю панель станции (рис. 1.2).



Рис. 1.2. Панель управлении станции

(1 – индикатор «Питания», 2 – переключатель «питания»,

3 – переключатель «Связь», 4 – элементы управления регулируемыми блоками питания,

5 – элементы управления функциональным генератором, 6 – клеммы мультиметра,

7 – клеммы осциллографа)
Программное обеспечение NI ELVIS создано в LabVIEW и представляют собой виртуальные приборы (ВП) для программирования функций и управления настольной рабочей станцией NI ELVIS. Виртуальные приборы запускаются специальным модулем Instrument Launcher (рис. 1.3).



Рис. 1.3. Запускающий модуль
Написанные на LabVIEW программы-приборы NI ELVIS вместе с прибором DAQ обеспечивают функциональные возможности следующих физических устройств:

• Генератор сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generator);

• АЧХ/ФЧХ анализатор (Bode Analyzer);

• Устройство чтения с цифровой шины (Digital Reader);

• Устройство записи на цифровую шину (Digital Writer);

• Цифровой мультиметр (Digital Multimeter);

• Анализатор динамических сигналов (Dynamic Signal Analyzer);

• Функциональный генератор (Function Generator);

• Анализатор импеданса (Impedance Analyzer);

• Осциллограф (Oscilloscope);

• Вольтамперный анализатор двухпроводной линии (Two-wire Current-Voltage Analyzers);

• Вольтамперный анализатор трехпроводной линии (Three-wire Current-Voltage Analyzers);

• Регулируемые источники питания (Variable Power Supplies).

Нажимая кнопки на экране монитора (рис. 1.3) можно активизировать соответствующий виртуальный прибор для проведения измерений.
Глава 2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Лабораторная работа № 1
^ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ПОЛОЖЕНИЯ

  1. Цель лабораторной работы

Изучить принцип действия и конструкцию резистивного датчика положения, исследовать его характеристики, экспериментально проверить расчетные соотношения.

^ 2. Основные теоретические положения

Резистивный датчик положения (РДП) представляет собой резистивный сенсорный элемент, включенный по схеме делителя напряжения, сопротивление которого регулируется положением подвижного контакта. РДП относится к преобразователям с абсолютным отсчетом, т.к. их функция преобразования монотонна и непрерывна, благодаря чему кратковременная потеря информации не приводит к накоплению погрешности. Сопротивление RO РДП в процессе работы изменяется по линейному закону:



где - относительное перемещение движка РДП.



Рис. 2.1

РДП сопротивлением R0 , подключается к ЭДС Еи с собственным сопротивлением Rи (рис. 2.1а). В общем случае, напряжение на выходе РДП, подаваемое на следующий каскад преобразователя (например, усилитель), с входным сопротивлением Rн равно:



В частном случае, при питании датчика от источника напряжения (Rи = 0), имеем Еи = Uи. При этом выходной сигнал РДП пропорционален сопротивлению R23 (образованному частью РДП R(х) = R2 и нагрузкой Rн):

где

Тогда, при отсутствии нагрузки на РДП Rн = , R0 = R1 + R2, и поэтому U2/Uи = R2/R0, а функция преобразования линейна. В реальных режимах условие Rн =  невыполнимо и функция преобразования нелинейна.

В схеме делителя напряжения с параметрами (R0, Uи) перемещение подвижного контакта РДП в относительных единицах , изменяется от 0 до 1. В этом случае функция преобразования U23 = f() определяется выражением:

(1)

где - коэффициент нагрузки.

Погрешность нелинейности РДП обусловлена отклонением отношения Uвых/Uи нагруженного датчика от ненагруженного. Величина относительной погрешности нелинейности нл равна

(2)

Параметр нл и чувствительность РДП зависят от величины относительного перемещения движка и сопротивления нагрузки (рис. 2.1а). Наибольшее отклонение реальной кривой от идеальной имеет место при = 2/3

(3)

Для линеаризации функции преобразования в плечо РДП включается дополнительный резистор Rл - сопротивление линеаризации. Теоретически, при Rл = Rн достигается максимальная линеаризация функции преобразования. В данной лабораторной работе исследуется резистивный датчик положения в виде линейного потенциометра, устанавливаемый на макетной плате совместно с дополнительными элементами. Измерения выходного напряжения, снимаемого с нагрузки, производится с помощью виртуального мультиметра станции NI ELVIS.

^ 3. Программа работы

1. Экспериментально проверить зависимость выходного напряжения резистивного датчика положения от относительной величины перемещения движка для различных значений сопротивления нагрузки.

  1. Исследование влияния сопротивления линеаризации на линейность функции преобразования резистивного датчика положения.




  1. Состав лабораторного оборудования

Лабораторная установка состоит из настольной рабочей станции NI ELVIS (рис. 1.1). В качестве резистивного датчика используется линейный потенциометр типа СП3. Величина сопротивления датчика R0 = 52 кОм. В качестве сопротивлений нагрузок используются резисторы МЛТ, номиналом Rн1 = 100 кОм, Rн2 = 24 кОм, Rн3 = 6,8 кОм. Сопротивления линеаризации равны Rл1 = 47 кОм, Rл1 = 22 кОм. Электрическая схема исследования резистивного датчика положения (РДП) приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема исследования резистивного датчика положения.

Датчик с помощью проводников (a, b, c) подключается к клеммам макетной платы (1, 2, 3). К этим же точкам подключаются сопротивления нагрузки Rн и сопротивления линеаризации Rл. Клеммы 2–3 соединяют с зажимами (HI, LO) виртуального мультиметра на передней панели рабочей станции NI ELVIS или с соответствующими гнездами на монтажной плате.

^ 5. Порядок выполнения лабораторной работы

5.1 Исследование зависимости функции преобразовании РДП

от величины сопротивления нагрузки.

1. Собрать электрическую схему исследования РДП согласно рис. 2.2, без сопротивления нагрузки (Rн = ) и сопротивления линеаризации (Rл = ).

2. Активизировать виртуальный прибор Digital Multimeter (Цифровой мультиметр), проверить схему и подать питание на макетную плату.

3. Изменяя относительную величину перемещения щетки датчика , (от 0 до 1, через 0,1), измерить напряжение на его выходе. Результаты записать в таб. 2.1.

Т а б л и ц а 2.1. Результаты исследования функции преобразования РДП

(Rл = )



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5



1,0

Rн=

Uвых

























Uвых/ Uи

























Rн1=100кОм

Uвых

























Uвых/ Uи

























Rн2=24 кОм

Uвых

























Uвых/ Uи

























Rн3=6,8кОм

Uвых

























Uвых/ Uи

























Rн3=6,8кОмрасчет




























Uвых/ Uи

























4. Провести аналогичные измерения (при Rл = ) для Rн1, Rн2, Rн3. по результатам экспериментов построить графики (4 графика в одной системе координат), проанализировать их и сделать вывод.

  1. Для Rн3 по формуле 1 провести расчет значения Uвых/ Uи для разных значений , сравнить их с результатами эксперимента (построить график) и сделать выводы.

  2. Для Rн3 по формуле 2 провести расчет и построить график зависимости величины относительной погрешности нелинейности нл от величины .

    1. Исследование влияния сопротивления линеаризации

на функцию преобразования РДП.

1. Подключить к датчику резисторы Rн3= 6,8 кОм и Rл1 = 47 кОм. Провести измерения выходного н7апряжения и рассчитать Uвых/ Uи для разных значений . Результаты занести в таблицу 2.2.

Т а б л и ц а 2.2. Результаты исследования функции преобразования РДП

(Rн3 = 6,8 кОм)



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5



1,0

Rл1=47 кОм

Uвых

























Uвых/ Uи

























Rл2=22 кОм

Uвых

























Uвых/ Uи

























2. Провести аналогичные измерения для Rл2=22 кОм. По результатам эксперимента построить графики (2 графика в одной системе координат), проанализировать их и сделать выводы.
^ 6. Контрольные вопросы

1. Поясните, как устроены резистивные датчики линейного и углового положения?

2. Что представляет собой функция преобразования резистивного датчика положения?

3. На какой параметр функции преобразования резистивных датчиков положения влияет нагрузка?

4. Как определяется коэффициент нагрузки резистивного датчика положения?

5. Каким образом определяется относительная величина погрешности линейности графика функции преобразования РДП?

6. Как определяется наибольшее отклонение реальной кривой функции преобразования РДП от идеальной?

7. Каким образом можно повысить линейность графика функции преобразования РДП?
Лабораторная работа № 2
^ ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ

1. Цель лабораторной работы

Исследовать функцию преобразования автомобильного датчика температуры охлаждающей жидкости при различных схемах его включения в измерительную схему. Провести с помощью датчика мониторинг изменения температуры во времени.

^ 2. Основные теоретические положения

Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) устанавливается на впускном патрубке системы охлаждения в потоке охлаждающей жидкости двигателя (рис.2.4).



Рис.2.4.Внешний вид и расположение датчика температуры

охлаждающей жидкости:

(а - внешний вид датчика ДТОЖ (дет. 2112-3851010); б - расположение ДТОЖ).

Термистор, находящийся внутри датчика, является термистором с "отрицательным температурным коэффициентом" - при нагреве его сопротивление уменьшается. Высокая температура охлаждающей жидкости вызывает низкое сопротивление (70Ом + 2%при130°С),а низкая температура дает высокое сопротивление (100700 Ом + 2% при -40 °С).Контроллер подает на датчик температуры охлаждающей жидкости напряжение 5 В через резистор с постоянным сопротивлением, находящимся внутри контроллера.

Температуру охлаждающей жидкости контроллер рассчитывает по падению напряжения на датчике, имеющем переменное сопротивление. Падение напряжения большое на холодном двигателе, и низкое на прогретом. Зависимость сопротивления датчика от температуры охлаждающей жидкости приведена в таблице 2.4 и графике рис. 2.5.

Таблица 2.4. Зависимость сопротивления термодатчика от температуры.

Т0С

0

5

10

15

20

25

30

40

45

50

60

70

80

90

100

Rд

9,72

7,44

5,76

4,45

3,52

2,8

2,23

1,45

1,18

0,97

0,67

0,47

0,33

0,24

0,18




Рис. 2.5. Зависимость сопротивления датчика от температуры t0C.

Зависимость сопротивления датчика температуры в рабочем диапазоне температур достаточно точно описывается выражением

, (1)

где ^ R - сопротивление датчика при данной температуре;

Т - температура, оК;

е - основание натурального логарифма;

А и В - коэффициенты, постоянные для данного датчика.

Зависимость (1) называется температурной характеристикой. Для вычисления коэффициентов А и В достаточно подставить два известных значения сопротивления и соответствующие им температуры в выражения (1). Данными сопротивлениями могут быть сопротивление датчика R1=3,52 кОм при комнатной температуре Т1 = 293оК (20оС) и сопротивление датчика R2=0,18 кОм , например, при температуре Т2 = 373оК (100оС). Подстановка указанных значений приводит к системе уравнений относительно А и В

(2)

Подставляя соотношения (2) в выражение (1) получим температурную характеристику датчика температуры охлаждающей жидкости

(3)

Датчик подключается к контроллеру по схеме, представленной на рис.2.6.



Рис. 2.6.

Обычно величину R1 выбираю такой, чтобы ток в цепи не превышал 1mA . ком случае исключается самонагрев датчика.

Напряжение на выходе датчика описывается соотношением

(4)

Если известно напряжение U0 и R1 то сопротивление датчика RД можно выразить через UВЫХ из соотношения (4)

(5)

Подставляя в (4) значение из (3) и переходя от 0К к 0С, получим выражение для функции преобразования автомобильного датчика температуры охлаждающей жидкости

(6)

Функция преобразования ДТОЖ является нелинейной. Для повышения линейности функции часто параллельно датчику включают дополнительный резистор RЛ. Подбором этого резистора линейность можно повысить в достаточно широком диапазоне температур.

^ 3. Программа работы

1. Исследовать функцию преобразования автомобильного датчика температуры охлаждающей жидкости.

2. Проверить возможность управления линейностью функции преобразования автомобильного датчика температуры охлаждающей жидкости.

3. Провести мониторинг изменения температуры окружающей среды с помощью датчика и виртуального прибора, созданного в LabVIEW.
^ 4. Состав лабораторного оборудования

Лабораторная установка состоит из настольной рабочей станции NI ELVIS (рис. 1.1). Для проведения экспериментальных измерений используется автомобильный датчик температуры охлаждающей жидкости и набор резисторов R1 = 6,8 кОм, Rл1 = 9,1 кОм, Rл2 = 24 кОм. Схема соединения датчика и вспомогательных резисторов изображена на рис. 2.7.


Рис. 2.7. Схема исследования датчика температуры.

^ 5. Порядок выполнения работы
  1   2   3



Скачать файл (3905.6 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации