1

WAT – WYDZIAŁ ELEKTRONIKI

INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH

Przedmiot: CZUJNIKI I PRZETWORNIKI POMIAROWE

Ć

wiczenie nr 2

PROTOKÓŁ / SPRAWOZDANIE

Temat: Przetworniki indukcyjnościowe

/POMIARY PRZEMIESZCZEŃ LINIOWYCH I KĄTOWYCH/

Grupa: ............................................................

1. .............................................................

2. .............................................................

3. ..............................................................

4. ..............................................................

Data wykonania

ć

wiczenia:

........................................................................

Data oddania sprawozdania:

.........................................................................

Ocena:

........................................................................

Prowadz

ą

cy:

.........................................................................

Uwagi prowadz

ą

cego

ć

wiczenie:

Cel

ć

wiczenia:

Celem

ć

wiczenia jest zapoznanie z budow

ą

i zakresem wykorzystania ró

ż

nych rodzajów

czujników wykorzystywanych do pomiaru przemieszcze

ń

liniowych i k

ą

towych.

2

STANOWISKO 1. POMIAR PRZESUNIĘCIA LINIOWEGO Z ZASTOSOWANIEM

PRZETWORNIKA TRANSFORMATOWEGO

1.1.

OPIS ĆWICZENIA

Przedmiotem

badań

jest

pomiar

charakterystyki

statycznej

różnicowego

przetwornika transformatorowego. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys.5.

G

V

Z

Z

Z

1

2

2

0

R

X

Rys.1. Schemat układu pomiarowego do badania charakterystyki statycznej różnicowego

przetwornika transformatorowego.

Uzwojenie pierwotne przetwornika zasilane jest z generatora napięcia

sinusoidalnego. Przesunięcie mierzone X zadawane jest za pomocą śruby mikrometrycznej,

działającej bezpośrednio na rdzeń przetwornika. Ustawiamy wstępnie rdzeń w położenie

neutralne (a więc kiedy U

o

=0), a następnie zdejmujemy charakterystyki U

o

=f

1

(X) dla obu

kierunków przesunięć rdzenia. Pomiar przeprowadzamy jednokrotnie. Następnie dla

określonego X oraz f wyznaczamy charakterystyki U

o

=f

2

(U

1

) i dla określonego X oraz U

charakterystykę U

o

=f

3

(f).

Zakres zmian przesunięcia X wynosi ±100 mm od położenia neutralnego.

Charakterystyki takie mają zazwyczaj nieliniowy charakter, Istotnym parametrem takiej

nieliniowej ch-ki jest błąd nieliniowości. Graficzny sposób wyznaczania tego błędu

przedstawia rys.2.

3

Rys.2. Graficzny sposób wyznaczania błędu nieliniowości.

Błąd nieliniowości określany jest przez maksymalną rozbieżność charakterystyki

rzeczywistej U

0R

i znamionowej U

0zn

zaznaczoną na rys.2 symbolem max

∆

1

U

0

.

1.2.

WYKONANIE ĆWICZENIA.

1. Połączyć układ pomiarowy w/g schematu przedstawionego na rys.1.

2. Dla przetwornika o danych znamionowych U

1N

=5V oraz f

N

=5kHz wyznaczyć:

a) U

o

=f

1

(X) przy U

1

=U

1N

=5V

f=f

N

=5kHz

b) U

o

=f

2

(U

1

) przy f=f

N

=5kHz

X=50mm

U

1

=4

÷

5,6V

c) U

o

=f

3

(f) przy U

1

=U

1N

=5V=const

X=50mm

f=1

÷

10kHz

3. Przedstawić wykreślnie uzyskane charakterystyki.

4. Wyznaczyć błąd nieliniowości.

U

U

U

X

X

0

0max

0zn

'

U

U

U

0R

0zn

0zn

'

''

max

max

∆

l

U

0

4

W celu ułatwienia wykonania ćwiczenia zastosowano komputer oraz przyrząd

uniwersalny METEX współpracujący z komputerem i umożliwiający pomiar wszystkich

żą

danych parametrów. Wprowadzanie danych do pamięci komputera odbywa się za

pośrednictwem programu o nazwie pomlin.exe.

Każda seria pomiarów znajduje się w pliku o nadanej nazwie. Pliki te są następnie

wpisywane do programu EXCEL, który umożliwia opracowanie wyników w postaci tabel,

wykresów i innych parametrów wskazanych w dalszej części instrukcji oraz wydruk na

drukarce.

Pomiary wykonywać przyrządem METEX-4660A

Procedura postępowania jest następująca:

1.

Uruchomić program pomlin.exe.

2.

Po uruchomieniu programu postępować zgodnie z ukazującymi się komunikatami na

ekranie komputera.

3.

Wyniki pomiarów rejestrować przy jednakowych odstępach nastawy zmiennej

niezależnej x.

4.

Zanotować na kartce nazwę pliku, w którym będą zapisane wyniki pomiarów oraz

miana wielkości fizycznych w jakich były zdejmowane charakterystyki.

5.

Uruchomić program EXCEL, wprowadzić do niego pliki pomiarowe i za pomocą tego

programu wyznaczyć żądane w dalszej części instrukcji wykresy i parametry.

6.

Wszelkie wykresy drukować wraz z wynikami pomiarów.

5

STANOWISKO 2. POMIAR PRZEMIESZCZEŃ KĄTOWYCH.

2.1.OPIS ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, zasadą działania oraz pomiarem

charakterystyk zewnętrznych dwóch rodzajów przetworników kąta: obrotowo-impulsowych

i obrotowo-kodowych.

2.1.1

PRZETWORNIKI OBROTOWO-IMPULSOWE I OBROTOWO-KODOWE.

Przetworniki obrotowe są uniwersalnym narzędziem techniki pomiarowej i

automatyki

umożliwiającym

wykonywanie

precyzyjnych

cyfrowych

pomiarów

przemieszczeń kątowych i liniowych oraz innych wielkości fizycznych dających się

przetworzyć na jedno z powyższych przemieszczeń.

Przetworniki obrotowo-impulsowe wytwarzają ciąg impulsów, których ilość jest

proporcjonalna do przebytej drogi kątowej wałka - osi przetwornika.

Uproszczony układ pomiarowy przetwornika impulsowego oraz jego sygnały wyjściowe

przedstawiono na rys.3.

D

F 1

F 2

W 1

W 2

A

B

2 π

π /2

U

T

A

B

Rys.3. Układ pomiarowy przetwornika impulsowego.

6

Objaśnienia do rysunku:

D - źródło światła podczerwonego (fotodioda)

F1, F2 - detektory światła

U - wał przetwornika

T - ruchoma tarcza

W1, W2 - wzmacniacze elektroniczne

A, B - wyjściowe sygnały elektryczne

Na obwodzie szklanej tarczy T umocowanej do precyzyjnie ułożyskowanego wału U

znajdują się dwie koncentryczne ścieżki I i II pól przeźroczystych i nieprzeźroczystych

naniesionych metodą fotolitografii. Pola ścieżki I są przesunięte względem pól ścieżki II.

Po jednej stronie ruchomej tarczy jest umieszczona dioda D będąca źródłem światła

podczerwonego, a po drugiej odbiorniki (detektory) tego światła F1 i F2, jeden pod ścieżką

I drugi pod ścieżką II. Wirująca tarcza powoduje przysłanianie i odsłanianie tych

odbiorników, wywołując tym samym generowanie w nich ciągu sygnału elektrycznego.

Sygnały z fotoelementów F1 i F2 są następnie wzmacniane i kształtowane we

wzmacniaczach W1 i W2 w sygnał wyjściowy A i B o określonym standardzie.

Przesunięcie względem siebie pól ścieżek I i II jest takie, że sygnały wyjściowe A i B są

przesunięte w fazie o 90

°

. Przy obrocie wału w jednym kierunku sygnał A wyprzedza

sygnał B, w drugim kierunku sygnał B wyprzedza sygnał A o 90

°

.

Przetwornik obrotowo-impulsowy współpracuje z zewnętrznym rewersyjnym licznikiem

impulsów. Jeśli urządzenie to posiada układy rozróżniania kierunku oraz multiplikacji

zboczy, uzyskuje się informację o kierunku obrotu oraz czterokrotne zwiększenie

rozdzielczości. Z ilości impulsów wnioskujemy o wartości kąta obrotu wału. a z ich

kolejności o kierunku tego obrotu.

W przetwornikach obrotowo-kodowych na tarczy szklanej naniesiona jest mozaika pól w

postaci 8-mio, 10-cio lub 12-to bitowego naturalnego kodu binarnego lub kodu Graya.

Tarcza ta obraca się między rzędami fotodiod na podczerwień i fotokomórek. Sygnały z

fotokomórek są następnie wzmacniane, kształtowane i wyprowadzane na zewnątrz

przetwornika. Informacja jest w postaci równoległej, z reguły o poziomach TTL, w

naturalnym kodzie binarnym lub kodzie Graya.

Tego typu rozwiązanie daje możliwość odczytywania kąta obrotu wału przetwornika w

sposób bezpośredni, w odróżnieniu do przetwornika impulsowego, gdzie należy śledzić i

zliczać impulsy w stosunku do pewnego położenia początkowego, z uwzględnieniem

kierunku obrotu (zliczanie w górę lub w dół).

W opisanych powyżej przetwornikach obrotowych, często wyprowadzany jest dodatkowy

sygnał elektryczny, dla zaznaczenia pewnego wybranego położenia, służący do inicjalizacji

pracy urządzeń zewnętrznych współpracujących z przetwornikiem.

7

W przetworniku impulsowym, raz na pełny obrót pojawia się krótki impuls, nazywany

znacznikiem położenia zerowego.

Cyfrowe sygnały wyjściowe przetworników dają możliwość łatwego podłączenia do

układów mikroprocesorowych.

2.2. WYKONANIE ĆWICZENIA.

2.2.1. POMIAR KĄTA Z ZASTOSOWANIEM PRZETWORNIKA IMPULSOWEGO.

Przedmiotem badań jest pomiar charakterystyki statycznej przetwornika.

Pomiary przeprowadza się w układzie pomiarowym przedstawionym na rys.4.

Rys.4. Schemat pomiarowy do badań przetwornika impulsowego.

PI - badany przetwornik

Z - zasilacz 5V

L – licznik impulsów

R - pulpit sterowniczy

Badany przetwornik PI zasilany jest napięciem stałym 5V poprzez pulpit sterowniczy

R. W pulpicie sterowniczym znajduje się układ elektroniczny, którego zadaniem jest

identyfikacja kierunku obrotu wału przetwornika i w zależności od tego przesyłanie

impulsów wyjściowych do wyjścia P lub L, a następnie do licznika impulsów L. Przy

PI

P

R

L

Z

+5V

+

L

_

8

obrocie wału przetwornika w prawo, licznik dodaje, a przy obrocie w lewo odejmuje

impulsy. Na liczniku można odczytać ilość impulsów oraz zmierzoną wartość kąta w

stopniach i radianach.

W zastosowanym w ćwiczeniu przetworniku przy pełnym obrocie wału zostaje

wygenerowanych 2500 impulsów.

Wypadkowy kąt obrotu

α

m

oblicza się na podstawie wskazań licznika L w/g zależności:

2500

L

360

α

m

=

[

°

] (1)

2.2.2. PROCEDURA POMIAROWADLA PRZETWORNIKA IMPULSOWEGO

Celem pomiarów jest wyznaczenie charakterystyki przetwornika: zależności kąta

zmierzonego w funkcji kąta zadanego

α

dla pełnego obrotu wału, gdzie zadany kąt

α

odczytywany jest z podziałki kątowej naniesionej na wale przetwornika, a następnie

porównanie wartości zadanego kąta

α

z odczytami na liczniku i obliczonej w/g zależności

(1).

1. Ustawić napięcie zasilacza U

z

=5V.

2. Połączyć układ pomiarowy w/g rys.4.

3. Ustawić wałek przetwornika w pozycji

α

=0

°

4. Wyzerować licznik.
5. Zdjąć charakterystykę przetwornika

)

(

f

L

α

=

dla pełnego obrotu wałka.

6. Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w następującej tabeli:

α

[

°

]

L

L[

°

]

L[rad]

α

m

[

°

]

0

30

360

Wykreślić zależność

α

=f(L).

9

2.2.3 POMIAR KĄTA Z ZASTOSOWANIEM PRZETWORNIKA KODOWEGO

Przedmiotem badań jest automatyczny pomiar charakterystyki statycznej

przetwornika kodowego. Pomiary przeprowadza się w układzie pomiarowym

przedstawionym na rys.5.

Rys.5. Schemat pomiarowy do badań przetwornika kodowego.

Badany przetwornik PK zasilany jest napięciem stałym 5V poprzez pulpit sterowniczy R.

Informację wyjściową przetwornika kodowego stanowi 12 bitowe słowo w kodzie Graya.

Dzięki zastosowaniu tarczy kodowej informacja o aktualnie mierzonym kącie jest

jednoznacznie określona poprzez 12 bitowe słowo wyjściowe.

Kod Graya ma tę właściwość, że słowa reprezentujące kolejne liczby (kolejne położenie

kątowe wału przetwornika) różnią się między sobą wartością tylko jednego bitu. Aby

liczba zapisana w kodzie Graya była przydatna dla użytkownika, należy dokonać zamiany

tej liczby na liczbę w kodzie dwójkowym.

PK

R

K

Z

+5V

10

Zależność między kodem Graya (C=c

7

c

6

.......c

0

) a kodem dwójkowym ( B= b

7

b

6

.......b

0

)

jest następująca:

b

7

=c

7

b

i

= c

i

+ b

i+1

i=0,1,.......n-1

c

c

c

c

c

c

c

c

b

b

b

b

b

b

b

b

C

B

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

0

0

+

+

+

+

+

+

+

Liczba w kodzie dwójkowym może być poddana dalszemu przetwarzaniu w komputerze.

Przetwornik PK dołączony jest do komputera za pomocą karty we/wy 8255. W ćwiczeniu

należy zaobserwować na ekranie monitora przebieg charakterystyki U

wy

=f(

α

) dla pełnego

obrotu wału PK. Kąt zadany

α

odczytywany jest z podziałki kątowej umieszczonej przy

wale PK.

2.2.4. PROCEDURA POMIAROWA DLA PRZETWORNIKA KODOWEGO

Czynności wstępne:

1.

Połączyć układ pomiarowy w/g rys.5.

2.

Ustawić napięcie zasilacza U

z

=5V.

3.

Włączyć komputer i uruchomić program C:\LAB\pomkat.exe

4.

Stosować się do poleceń na ekranie monitora.

2.2.5. Sprawdzenie poprawności pomiaru zadanego kąta.

1.Za pomocą pokrętła przetwornika PFK 75 ustawić dowolnie wybrany kąt.

2. Odczytać wartość ustawionego kąta zapisaną w kodzie Graya, w kodzie naturalnym

dwójkowym (NB) oraz z kodu NB na kąt dziesiętny (wartość kąta wyrazić w stopniach,

minutach i sekundach); wyniki wpisać do tabeli 1.

11

Tab.1

Kod Graya

Kod NB

Kąt odczytany

Kąt obliczony

2.2.6. Określenie rozdzielczości pomiaru kąta.

1.

Ustawić kąt 0

°

tak, aby wartość kąta zapisana w kodzie NB była

(0000000000000000)

2

.

2.

Odczytać wartość ustawionego kąta w stopniach (x

1

).

3.

Zmienić ustawioną wartość kąta tak, aby jedynka wystąpiła na najmniej znaczącej

pozycji w słowie zapisanym w kodzie NB (0000000000000001)

2

.

4.

Odczytać wartość ustawionego kąta w stopniach (x

2

).

5.

Obliczyć różnicę

∆

x = x

1

- x

2

.

2.2.7. Wyznaczanie charakterystyki błędu ustawienia kąta.

Wyznaczanie charakterystyki dokonuje się w zakresie kąta od 0

°

do 330

°

.

1.

Ustawić kąt 0

°

(odczytany z podziałki umieszczonej na przetworniku PFK75).

2.

Za pomocą klawisza S ustawić żądany skok (wyrażony w minutach).

3.

Za pomocą strzałek

→

oraz

←

ustawić kąt zadany.

4.

Nacisnąć klawisz Z w celu zapamiętania pomiaru w zbiorze.

5.

Ustawić nową wartość kąta za pomocą pokrętła przetwornika.

6.

Powtórzyć czynności opisane powyżej w zakresie kąta od 0

°

do 330

°

.

7.

Nacisnąć klawisz W w celu obejrzenia wykresu błędów.

8.

Nacisnąć klawisz D w celu wydrukowania wykresu.

Literatura.

1.

„

Miernictwo elektryczne. Ćwiczenia laboratoryjne.

”

WAT, Warszawa 1988.

2. Sadowski A., Sobol J.

„

Metrologia długości i kąta

”

. WNT, Warszawa 1978.

3. B. Szumielewicz, B. Słomski, W. Styburski „Pomiary elektroniczne w technice”. WNT,

Warszawa 1982.

4. A. Chwaleba, J. Czajewski „Przetworniki pomiarowe wielkości fizycznych”. WPW,

Warszawa 1993.

6.

„Miernictwo elektryczne. Ćwiczenia laboratoryjne”. WAT, Warszawa 1988.

7.

Misiurewicz P. „Układy mikroprocesorowe”. WNT, Warszawa 1983.

8.

Sadowski A., Sobol J. „Metrologia długości kąta”, Warszawa 1978.