Центр РА
Обучение  
Исследования  
Консультации  
Программное обеспечение  
Издания  
Науки  
Контакты  
Научное общество  
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ    ИНФОРМАЦИЯ  
 
За информацией о
работе Центра обращайтесь:
info@center-ra.ru
Студия интернет-дизайна TechApple.ru
Методические пособия. Исследование потенциометрических преобразователей перемещений
 


Скачать


Цель работы

1. Изучить принцип действия, области применения и схемы магниторезистивных преобразователей (МРП).
2. Экспериментально определить характеристики магниторезистивного преобразователя перемещений (МРПП).

Общие сведения


Назначение, принцип действия и электрические схемы включения магниторезистивных преобразователей
Магниторезистивные преобразователи (МРП) предназначены для преобразования магнитной индукции, линейных и угловых перемещений в электрический сигнал. Они применяются в навигационных приборах, устройствах контроля параметров окружающей среды и режимов работы различных агрегатов летательного аппарата.
Магниторезистивные преобразователи основаны на использовании эффекта Гаусса, который проявляется в изменении электрического сопротивления преобразователя от влияния внешнего магнитного поля.
Эскиз конструкции МРП изображен на рис.1,а). Здесь представлена пластина 1, изготовленная из полупроводникового материала, с размерами l>b>> h , с двумя напыленными электродами 2. При включении МРП в электрическую цепь ток в пластине, если магнитная индукция В=0, обуславливается носителями зарядов: электронами и дырками, перемещающимися по прямолинейным траекториям. Сопротивление плас¬тины, при наличии носителей зарядов двух знаков, определяется выражением




Где:

• e - заряд электрона;
• n и µn - средняя концентрация и подвижность электронов;
• p и µp - средняя концентрация и подвижность дырок,
• j и S=bh - соответственно длина и сечение пластины.




При наличии внешнего магнитного поля с индукцией В (рис. 1,б)) на носители зарядов действует сила Лоренца



Где:

-нормальная проекция магнитной индукции;
• V- вектор скорости движения носителей заряда.

При этом траектории носителей движения зарядов становятся нелинейными, а так же изменяется их подвижность (рис 1,6).
Эти отклонения, увеличивающие путь электронов, приводят к воз¬растанию сопротивления полупроводника.
Статическая характеристика МРП имеет вид [1,2]



Где:

• R0 - сопротивление полупроводниковой пластины при отсутствии магнитного поля;
• ΔR=RBZ-R0 - приращение сопротивления полупроводниковой пластины под влиянием магнитного поля;
• RBZ - сопротивление полупроводника при наличии магнитного поля;
• µ1 - подвижность носителей тока;
• A1 - размерный коэффициент, характеризующий поле, материал и форму полупроводниковой пластины.

Магниторезисторы изготовляются из полупроводниковых материалов таких как антимонид индия (InSb), арсенид индия (InAs) и др., в которых сильно проявляется магниторезистивный эффект вследствие большой подвижности носителей заряда. Магниторезистивный коэффициент зависит от формы конструкции МРП. На рис. 2,а) показаны статические характеристики МРП, отличающиеся только отношениями длины и ширины.




Обычно используют для магниторезисторов форму пластины, имеющей малое отношение длины к ширине. Габаритные размеры магниторезисторов составляют единицы миллиметров. Для увеличения сопротивления МРП изготавливаются в виде ряда коротких участков, соединенных перемычками (рис. 2,б).
Из статической характеристики следует, что с помощью МРП можно непосредственно измерять индукцию магнитных полей. Это используется в широком диапазоне изменения магнитной индукции от 10^-6 Т до 10 Т .
Измерение же других параметров (перемещений, усилий, давлений и других физических величин) основано на косвенном методе, при котором необходимо вначале обеспечить взаимосвязь между исследуемым параметром X и изменением индукции магнитного поля Вг. Это приведет к изменению относительного сопротивления ΔR/R0 , по которому можно судить об измеряемом параметре.
На рис. 3 показаны возможные схемы конструкций магниторезистивных преобразователей перемещений (МРПП).



На рис. 3,а изображена магнитная схема 1 с переменным воздушным зазором, а следовательно, переменной величиной магнитной индукции МРП 2 при перемещении может занимать различное положение в воздушном зазоре системы и от этого будет изменяться магнитная индукция Bz воздействующая на него.

На рис 3,б изображена магнитная система с подвижным якорем 3. МРП укреплен на полюсах 2 постоянных магнитов 1. Магнитная индукция в рабочих зазорах, воздействующая на МРП, меняется при перемещении якоря.

Электрические схемы включения магниторезисторов приведены на рис. 4.




В схеме делителя напряжений (рис. 4,а) используются два магниторезистора с сопротивлениями RM1 и RM2, и терморезистор RT
включенные в цепь питания Uпит постоянного или переменного тока.
Выходной сигнал Uвых снимается с одного из магниторезисторов.
Терморезистор RT сопротивление которого зависит от изменения температуры, служит для компенсации температурных погрешностей.
Мостовая схема (рис. 4,б) состоит из двух магниторезисторов с сопротивлениями RM1 и RM2, и двух терморезисторов RT . Терморезисторы, Электрические схемы включения магниторезисторов приведены на рис. 4.
являясь плечами моста, одновременно обеспечивают компенсацию температурных погрешностей.

Погрешности магнитоэлектрических преобразователей: МРП свойственны методические и инструментальные погрешности.
Методические погрешности определяются следующими факторами:
3. Нелинейностью статической характеристики.
4. Непостоянством магнитного поля из-за размагничивающего влияния тока в магниторезисторе.
5. Нагревом магниторезистора электрическим током.
6. Инерционностью носителей тока полупроводникового материала.
7. Инерционностью подвижного элемента конструкции.
Инструментальные погрешности выражаются влиянием следующих факторов:
1. Неточностями изготовления деталей и сборок.
2. Изменением температуры окружающей среды.
3. Временными изменениями свойств материалов.
4. Изменением внешнего магнитного поля.
5. Непостоянством напряжения источника питания.

Экспериментальная часть
Задание

1. Ознакомиться с теоретической частью.
2 . Ознакомиться с исследуемым терморезистивным преобразователем перемещений.
3 . Ознакомиться с лабораторной установкой.
4. Определить статические характеристики МРП
и и построить их графики.
5. Сделать выводы по работе. Оценить погрешность проведенного эксперимента с учетом погрешностей используемых приборов.
Описание исследуемого магниторезистивного преобразователя перемещений (МРПП)
Магниторезистивный преобразователь перемещений предназначен для измерения линейных перемещений в диапазоне (0,..,1.5) мм. Выходным сигналом является напряжение постоянного тока.
Принципиально-конструктивная схема магнитной системы преоборазователя приведена на рис.5. В качестве источников магнитных потоков используются два неподвижных идентичных магнита 3, 8 с полюсными наконечниками 2,4 и 7,9. На торцах полюсных наконечников 2 и 7 расположены соответственно магниторезисторы и В начальном положении ферромагнитный якорь 5 (концентратор магнитных силовых линий) расположен посередине рабочих зазоров.




При перемещении якоря 5, изменяются магнитные сопротивления воздушных зазоров, что приводит к изменению индукции и магнитных потоков, пронизывающих магниторезисторы 1 и 6. Например, увеличивается омическое сопротивление магниторезистора 6 и уменьшается омическое сопротивление магниторезистора 1, что приводит к изменению выходного сигнала электрической схемы, в которую включены магниторезисторы.
Описание лабораторной установки.

Электрическая схема лабораторной установки приведена на рис. 6, где МРПП - исследуемый магниторезистивный преобразователь перемещений, ПН - преобразователь напряжения переменного тока 220В, 50Гц в напряжение постоянного тока 6 В - для питания установки и 9В - для питания цифрового вольтметра; Пр - предохранитель; JT - сигнальная лампа; П1 - выключатель цепи питания; П2 - переключатель каналов МРПП; V - вольтметр. Питание электрической схемы осуществляется от сети переменного тока 220 В, 50 Гц. Поскольку исследуемый МРПП работает при напряжении питания постоянного тока 6 В, то требуемое напряжение обеспечивает преобразователь напряжения ПН. Конденсаторы С1 и СЗ сглаживают пульсации питающего напряжения, а стабилизаторы DA1 и DA2 служат для стабилизации напряжения 6 В и 9В.
На рис. 7 изображена блок-схема лабораторной установки (вид сверху).
На панели I смонтирован исследуемый магниторезистивный преобразователь 4 (МРПП), шток которого соединен со стрелочным индикатором 3 (СИ), который, в свою очередь, связан с микрометрическим винтом 2 (MB). Включение напряжения питания 220В, 50Гц производится тумблером 8 (П1) через предохранитель 7 (Пр). При этом загорается сигнальная лампа 9 (JI). Далее с помощью преобразователя напряжений 10






Выходной сигнал измеряется с помощью вольтметра 6 (V). Справа внизу панели показана конструкция магниторезистивного преобразователя перемещений 11.

Порядок проведения эксперимента.
1. Подключить установку к сети питания 220В, 50Гц .

2. Установить микрометрический винт MB в крайнее правое положение.
3. Установить тумблер П1 в положение "Вкл." При этом загорится сигнальная лампа JI.

Измерение зависимости Uв1=f1(x)

4. Установить переключатель П2 в положение I.
5. Записать начальное значение с вольтметра V в таблицу.
6. Перемещать микрометрический винт влево до тех пор пока значения на вольтметре V не начнут изменяться.
7. Повернуть шкалу стрелочного индикатора (СИ) так, чтобы стрелка индикатора совпала с нулем на шкале. Записать значение вольтметра в таблицу. 8. Перемещать микрометрический винт в диапазоне от 0 до 1,4 мм с шагом 0,1 мм, контролируя перемещение микрометрического винта MB по стрелочному индикатору СИ, снять показания вольтметра V. Результаты измерений занести в таблицу.

Измерение зависимости Uв2=f2(x)

9. Установить переключатель П2 в положение II.
10. Произвести измерения по методике, изложенной в пунктах 6,7,8.
11. Установить тумблер П1 в положение «Выкл».




12. Зависимости
нанести на один график статических характеристик и предъявить преподавателю для проверки.
13. Рассчитать напряжение на выходе измерительного моста преобразователя
. Результаты расчёта занести в таблицу.
14. На основе полученных точек построить график
15. Визуально определить участок характеристики, который может считаться условно линейным. Обозначить эту область на графике. Графически, по методу наименьших квадратов, аппроксимировать характеристику полиномом первого порядка с точностью 5%. Определить диапозон измерения по входным и выходным величинам, чувствительность и погрешность нелинейности статической характеристики на выбранном участке.
Требования к отчету по работе.
Отчет должен содержать: 1. Ф. И. О., группа;
2. название, задание работы;
3. принципиальную электрическую схему лабораторной установки;
4. таблицу и графики результатов исследований;
5. перечень измерителей входных и выходных величин и их точность;
6. выводы о проделанной работе.

Литература.
1. Лаврова А. Т. Элементы автоматических приборных устройств,- М.: Машиномтроение, 1975г.
2. Шихин А. Я. Автоматические магнитоизмерительные системы. - Библ. по автоматике. Вып. 575 -М.: Энергия, 1977г.
3. Котенко Г. И. Гальваномагнитные преобразователи и их применение. - JL: Энергоиздат, 1982г.
4. Мартынов Ю. И. и др. Магниторезистивный датчик низких давлений,- Приборы и системы управления. - 1982г.
Оставить запись в книге
Посмотреть на книгу гостей
Дата модификаци:
05 мая 2006 г.
Программа обучения
Преподаватели центра
Исследовательская деятельность
Консультативная деятельность
Услуги организациям
Виртуальная астрология
Лекции
Медицина