Дипломная работа: Электронный измеритель амплитуды УЗ-вибраций
Недостатком рассмотренных конструкций виброметров является их сложность и ограниченная область применения.
Для контроля работы ультразвуковых преобразователей с волноводами и концентраторами целесообразнее применять ёмкостные или индуктивные датчики. Принцип одного из методов, на котором основано применение этих датчиков, заключается в ёмкости или индуктивности цепи высокочастотного генератора с частотной модуляцией амплитуды смещения концентратора. Глубина частотной модуляции пропорциональна амплитуде смещения. Другой принцип работы индуктивного датчика состоит в изменении потока в его магнитной цепи, которое происходит при колебаниях волновода. Индуцированное в обмотке датчика напряжение пропорционально смещению преобразователя. Датчики выполнены таким образом, что с их помощью можно измерять колебания на металлических деталях. Датчики устанавливают на расстоянии 0-2 мм от поверхности, что гарантирует получение оптимальных результатов. Электрический выход датчика подсоединяют к юстированному усилителю с прямым считыванием измеряемой величины. В датчиках этого типа сигнал (0,5-100 мВ) пропорционален амплитуде скорости смещения или знакопеременному напряжению в диапазоне частот 16-100 кГц. Индуктивные датчики представляют собой компактный блок, защищённый от истирания и повреждений полиэфирным покрытием, с кабелем, имеющим соответствующий вывод для соединения с измерительным прибором.
Электродинамические датчики основаны на эффекте возникновения вихревых токов в металлическом волноводе, движущемся поле постоянного магнита. Электродинамические датчики разделяются по конструкции на два типа: с накладной катушкой и с проходной. Электродвижущая сила, наводимая в измерительной катушке датчика накладного типа, обусловлена продольной составляющей колебаний стержня, а у датчика проходного типа - пуассоновскими колебаниями.
Электродинамические датчики пригодны для измерения амплитуд смещений и деформаций по длине волноводов, изготовленных из неферромагнитных материалов. В ферромагнитных материалах наряду с электродвижущей силой, обусловленной вихревыми токами, в катушке датчика возникает электродвижущая сила из-за обратного магнитострикционного эффекта, что искажает показания датчика.
Недостатком датчиков такого типа также является то, что их чувствительность сильно зависит от величины зазора. Всё это в некотором отношении ограничивает применение электродинамических датчиков.
Для измерения амплитуд смещений и деформаций с успехом могут быть использованы специальные тензодатчики. Эти датчики размером 3×3 мм2 изготавливали из проволоки сплава ТД-ИМ23ХЮ диаметром 40 мкм в виде плоской пружины. Пружину помещали между двумя листами бумаги размером 5×5 мм2. Изготовленные таким образом тензодатчики наклеивали на поверхность волновода клеем БФ и отжигали в печи по следующему режиму: через каждые два часа температуру отжига от 90°C повышали на 20°С. Сопротивление тензодатчика измеряли по мостовой схеме.
При измерениях тензодатчики наклеивали в середине полуволнового стержня, где амплитуда деформаций определяется согласно выражению
. (1.8)
Градуировка датчиков была линейной вплоть до амплитуд xm0= 40 мкм, т.е. они, могут быть использованы для измерений em при больших мощностях звука.
Разработан лазерный доплеровский измеритель (ЛДИ-01) , который позволяет проводить регистрацию и измерение параметров механических колебаний (вибраций) самых разнообразных объектов, деталей и поверхностей:
- измерение осевых и поперечных механических колебаний вращающихся объектов (валов двигателей, станков и т.д.);
- определение и контроль амплитуд колебаний ультразвуковых излучателей различного назначения;
- исследование механических колебаний хрупких и легких конструкций (мембраны, зеркала, оптика);
- изучение вибраций весьма малых участков поверхности в различных направлениях и получение поточечного вибропортрета.
Дистанционный бесконтактный метод измерения механических колебаний, используемый в ЛДИ-01, удовлетворяет требованиям современной промышленности, предъявляемым к данного рода измерениям.
Прибор не требует специальных знаний и дополнительного оборудования при работе с лазерным излучателем, что обеспечивает удобство и надежность в эксплуатации.
В ЛДИ-01 предусмотрен аналоговый выход для подключения осциллографа, анализатора спектра и других приборов, позволяющих получить дополнительную информацию об объекте (тип и устойчивость колебаний, паразитные биения и т.п.).
Достоинством данного прибора является высокая точность измерений, которая гарантируется сравнением вибрационного перемещения с длинной световой волны когерентного источника. Прибор, при необходимости, может измерять колебания сверхмалых амплитуд (от 10 нм до 0,3 мкм).
Недостатком является сложность конструкции прибора и высокая стоимость.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.
Измерение на расстоянии:
- при использовании световозвращающего элемента (покрытия), м 0,1-10
- от диффузно отражающей поверхности, м 0,1-3
Максимальная виброскорость, м/с 1,0
Диапазон амплитуд, мкм 0,3-10
Частотный диапазон, Гц 10-10
Мощность лазерного излучателя, мВт 0,5
Абсолютная погрешность измерения, мкм 0,1
2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
Для разработки конструкции и технологии изготовления, какого-либо устройства необходимо проанализировать основные требования к нему и условиям его эксплуатации. По результатам этого анализа можно определить порядок проектирования, перечень необходимых расчетов, заранее предусмотреть наиболее существенные конструктивные решения.
Анализ пунктов технического задания может быть произведен в следующей последовательности:
1) анализ возможности применения той или иной элементной базы для построения устройства с целью обеспечения выполнения им заданных функций;
2) определение основных составных частей проектируемого изделия и их основных конструктивных особенностей;
3) определение необходимости проведения различных конструкторских расчетов;
4) анализ необходимости применения в конструкции решений для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов;
5) определение перечня вопросов, которые должны быть рассмотрены при разработке технологической инструкции к устройству;
6) определение методики расчета технико-экономических показателей проектируемого устройства;
7) определение основных мероприятий по защите обслуживающего персонала.
Как правило, достаточно сложное изделие электронной техники содержит в своем составе широкий набор различных электронных элементов, выполняющих различные функции. В то же время они могут существенно отличаться по своим основным характеристикам, таким, как быстродействие, потребляемая мощность, совместимость по уровням сигналов и др. Поэтому при проектировании должно быть уделено внимание тому, что в составе устройства могут работать элементы с более или менее одинаковыми значениями основных параметров.
Целесообразность применения различных типов печатных плат (двусторонних, многослойных) может быть определена на основании проведения конструкторских расчетов (расчета трассировочной способности плат, элементов печатного монтажа, паразитных связей) с обязательным учетом технико-экономических показателей. Исходя из этого, предлагается использовать в проектируемом устройстве двустороннюю печатную плату. В соответствии с техническим заданием проектируемое устройство предполагается использовать в специально оборудованном помещении, в котором стабильно поддерживаются температура окружающей среды и относительная влажность воздуха. Поэтому специальные методы защиты от климатических факторов не предусмотрены.
При рассмотрении вопросов технологии изготовления аппаратуры обязательным является расчет частных и комплексного показателей технологичности. На основании его можно судить о правильности принятых конструктивных решений и своевременно внести изменения в конструкцию устройства. В связи с тем, что годовая программа выпуска проектируемого устройства невелика (100 штук), и тип производства для данного случая может быть мелкосерийным или, в крайнем случае, серийным, критерием оптимальности технологического процесса может считаться его трудоемкость.
Целесообразность проектирования, и в дальнейшем производства новой техники может быть оценена при расчете годового экономического эффекта при производстве новых средств труда. На основе результатов данного расчета может быть сделано заключение о возможности внедрения в производство разработанного устройства.
Особое внимание при использовании средств вычислительной техники следует уделять рассмотрению вопросов обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала. Наиболее неблагоприятным фактором при работе с измерителем вибраций является влияние ультразвуковых излучений. Поэтому в дипломном проекте предполагается введение специального раздела, посвященного расчету необходимых средств защиты обслуживающего персонала от воздействия неблагоприятных факторов.
Техническим заданием на дипломный проект является разработка конструкции малогабаритного цифрового виброметра с использованием жидкокристаллического индикатора. Цель проекта создание более удобной и компактной модели измерителя в сравнении с предыдущей.
Масса его не должна превышать 0.3 кг, габаритные размеры не должны превышать 150х75х35 мм. Питание должно осуществляться от внутреннего источника тока напряжением 9В±10%. Время наработки на отказ - не мене 1000 часов.
Исходя из вышеизложенного виброметр, должен представлять собой малогабаритный измерительный прибор с автономным источником питания, на передней панели которого расположены цифровой жидкокристаллический индикатор, выключатель питания и переключатель пределов.
Необходимо предусмотреть разъем для подключения вибродатчика.
3. ВЫБОР ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, МАТЕРИАЛОВ И ДЕТАЛЕЙ, РАСЧЕТ КОМПАНОВОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
3.1 Выбор функциональных элементов
При разработке схемы электрической принципиальной используем следующие виды элементов:
- микросхемы;
- резисторы;
- конденсаторы;
- индикатор;
- переключатели.
Разрабатываемый прибор должен быть переносным и малогабаритным. Отсюда можно сделать вывод о применении в блоке электрорадиоэлементов, обладающих минимальной потребляемой мощностью.
Выбор типа диодов проводим, исходя из следующих соображений:
диоды должны быть высокочастотными или универсальными;
должно соблюдаться соответствие электрических параметров диодов схеме электрической принципиальной;
применение диодов по возможности с минимальными типоразмерами.
Этим требованиям соответствуют диоды типа КД - 522Б.
Применение резисторов типа С2-33H-0.125 обусловлено тем, что фактическая рассеиваемая мощность их не превышает 0.125 Вт.
В качестве индикатора применяется жидкокристаллический индикатор, так как он обладает хорошим качеством изображения, сравнительно малой потребляемой мощностью.
Для выбора режимов работы в приборе применены переключатели типа КМ1-I и КМ1-II. Их выбор обусловлен отсутствием фальшпанели и их установка производится непосредственно на печатную плату.
3.2 Выбор материалов и деталей
Корпус разрабатываемого прибора должен обладать высокой надежностью, иметь малые габариты и вес. Материал, соответствующий данным требованиям - полистирол. Данный материал предназначен для изготовления конструкций средней прочности, к которым предъявляются требования повышенной долговечности при переменных нагрузках..
Для изготовления панели индикации выбираем поликарбонат ПК1 ТУ6-05-1762-81 прозрачный. Данный материал - продукт поликонденсации сложных эфиров угольной кислоты, по прочности, термостойкости и химической стойкости среди других термопластов занимает среднее положение, обладает высокой ударостойкостью, малой текучестью под нагрузкой, стоек к маслам, топливу, воде, растворяется в метиленхлориде, хлороформе, под действием кислот и щелочей не растворяется.
Печатная плата изготавливается из стеклотекстолита марки СФПН 1,5 – 50 ТУ – 6 – 05 – 1776 88.
3.3 Расчет компоновочных характеристик
Компоновка - размещение в пространстве или на плоскости различных элементов РЭА - одна из важнейших задач при конструировании. Основная задача, решаемая при компоновке РЭА, - это выбор форм, основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса и расположения в пространстве любых элементов или изделий радиоэлектронной аппаратуры.
На практике задача компоновки РЭА чаще всего решается при использовании готовых элементов (радиодеталей) с заданными формами, размерами и весом, которые должны быть расположены в пространстве или на плоскости с учетом электрических, магнитных, тепловых и других видов связей.
Компоновочные характеристики и документы способствуют лучшему взаимопониманию не только всех разработчиков данного изделия, но и заказчиков, которые могут субъективно сравнивать как подобные, так и разные по характеру системы.
Методы компоновки элементов РЭА можно разбить на две группы: аналитические и модельные. К первым относятся численные и номографические, основой которых является представление геометрических параметров и операций с ними в виде чисел. Ко вторым относятся аппликационные, модельные, графические и натурные методы, основой которых является та или иная физическая модель элемента, например в виде геометрически подобного тела или обобщенной геометрической модели.
При аналитическом определении объемов замещающих фигур стремятся свести их количество к минимуму, а размеры брать такими, чтобы сразу можно было получить значения установочного объема Vуст. Значение Vуст и подобных параметров элементов РЭА можно вычислить, пользуясь выражением
, (3.1)
где КП - компоновочный параметр; K - коэффициент пропорциональности; m - количество компоновочных параметров Ni. Для расчета объема, веса и потребляемой мощности выражение (3.1) можно представить так:
, (3.2)
, (3.3)
, (3.4)
. (3.5)
Здесь V - общий объем изделия; Kv - обобщенный коэффициент заполнения объема изделия элементами (иногда используют обобщенный коэффициент увеличения объема Kу, больший единицы, так как Kу = 1/kv);
Voi и Vai - значения установочных объемов однотипных Vo и единичных Va i-х элементов;
G - масса аппарата;
Kg - обобщенный коэффициент объемной массы изделия;
G’- объемная масса аппарата;
Kп - коэффициент, учитывающий потери PПИТ.
Значения kv лежат в пределах от 0,2 до 1, Vуст - от долей см3 до сотен дм3, Kg - от 1,2 до 3, Gi - от долей грамма до нескольких килограмм, G’ - от 0,4 до 1,6 г/см3, Kп - от 1 до 1,2.
Исходными данными для расчета являются:
- количество элементов в блоке;
- установочная площадь каждого элемента;
- установочный объем каждого элемента;
- установочный вес каждого элемента;
- активная площадь блока;
- активный объем блока;
- физическая площадь блока;
