Разработка устройства для измерения тепловых линейных расширений по длине стальных деталей

переменного направления в электрический ток постоянного направления.

КСУИ.2173145.001 ПЗ

Лист

8

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

В соответствии с техническим заданием, на выходе устройства должен быть сигнал: постоянное напряжение от 0 до 15 В. Именно выпрямитель обеспечивает это условие.

Рисунок 1 – Функциональная схема устройства (ИП – источник питания, БП – блок питания, Г – генератор, Ч – чувствительный элемент датчика, В – выпрямитель, Ф – фильтр, У - усилитель).

Усилитель – необходим для увеличения амплитуды выходного сигнала до требуемого значения.

Блок питания служит для питания генератора синусоидального сигнала, а также для питания операционного усилителя.

КСУИ.2173145.001 ПЗ

Лист

9

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

3 Выбор элементов и их статический расчет

В целом необходимо выбрать и рассчитать три элемента: усилитель, чувствительный элемент датчика и блок питания. Генератор является частью готовой схемы, его описание также представлено. Выпрямитель и фильтр – также часть схемы, которая взята с сайта [7].

3.1 Выбор и статический расчет чувствительного элемента

Работа индуктивного датчика положения основана на изменении индукции чувствительного элемента при изменении зазора между ним и ферромагнитным движущимся объектом. В роли объекта в разработанной конструкции выступает стальная деталь. Разработанный вариант конструкции чувствительного элемента представлен на рис. 1

Рисунок 2 - Конструкция чувствительного элемента индуктивного датчика  положения (1 – обмотка, 2 – ферритовый сердечник, 3 – ферромагнитное основание (движущийся объект)).

Следующие расчеты были взяты вместе с электрической принципиальной схемой и касаются непосредственно конструкции чувствительного элемента. На половине ферритового кольца К7х4х2 600НН намотана обмотка из 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,05 мм. Торцы сердечника отшлифованы с применением алмазной пасты. Качество их поверхности определяет чувствительность и линейность датчика.

Данные расчеты были взяты с сайта [4]

3.2 Выбор и статический расчет усилителя

Для усиления уже сформированного сигнала, на выходе стоит усилитель. Реализован на операционном усилителе общего назначения LF441.

Коэффициент усиления рассчитан исследующим образом: до усилителя сигнал идет в соотношении 1 В/мм. После усилителя сигнал должен быть 6,8 В/мм. Так как максимально допустимое расширение детали составляет 2,2 мм при 400°С, и этому максимальному значению соответствует выход устройства в 15 В (по техническому заданию)

R2 = 68 В, R1 = 10 В. Таким образом коэффициент усиления равен 6,8.

Основные параметры усилителя приведены в таблице 3.

КСУИ.2173145.001 ПЗ

Лист

10

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Таблица 3 – Основные параметры операционного усилителя LF441

Питание усилителя – от блока питания (15 В DC).

Включение в электрическую схему – инвертирующее. При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной, как показано на рис. 2.

Рисунок 3 - Инвертирующее включение ОУ

Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

Найдем входное сопротивление схемы. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, согласно свойству а) идеального ОУ входной ток схемы I1 = U2 / R1. Следовательно, входное сопротивление схемы Rвх = R1. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а согласно свойству а) идеального ОУ разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. воображаемым) нулем.

КСУИ.2173145.001 ПЗ

Лист

11

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

3.3 Выбор и статический расчет блока питания

Для питания схемы необходим блок питания постоянного тока на 15 В. Поскольку на схеме нет больших потребителей энергии, стандартной мощности в 15 – 40 Вт хватит с большим запасом.

Блок питания фирмы Meanwell. Модель P40A-4P2J. Разъем 2,1*5,5*11 мм.

Основные характеристики блока питания приведены в табл. 4

Таблица 4 – Основные характеристики блока питания Meanwell P40A-4P2J

На плате стоит ответный разъем питания, штырьковый