Измерение магнитной индукции

Веберметр

Особенность веберметра состоит в том, что в нем отсутствует противодействующий момент, и подвижная часть – бескаркасная рамка находится в положении безразличного равновесия.

В определенных схемах веберметра измеряет величину магнитного потока.

+

Выражение (1) для веберметра имеет вид:

Будем считать, что Р обусловлено электрическим успокоением

А ток i создается вторичный ЭДС, индуктированный в катушке при коммутации токав первичной катушкеТогда

Проинтегрируем последнее выражение от 0 до ; 0 – начало переключения;- конец. Получим

Рамка в момент 0 занимала положение «» (была в покое), в моментзанимала положение,то есть тоже была в покое, поэтому

и

То есть отклонение подвижной части пропорционально Этим веберметр отличается от баллистического гальванометра, хотя оба они применяются для измерения магнитного потока и количества так как

— постоянная веберметра.

На шкале веберметра указывается наибольшее внешнее сопротивление (8-20)Ом, при котором гарантируется правильная его работа. Веберметр снабжен коллектором. Веберметр – интегрирующий прибор.

Магнитоэлектрические приборы

Магнитометры: принцип действия, компенсация ошибок

Изобретенное более тысячи лет назад такое простое, но в тоже время гениальное устройство, как компас и сегодня является незаменимой вещью в инвентаре любого капитана корабля или туриста. В наше время благодаря развитию электроники и технологии микроэлектронных механических систем появились МЭМС-магнитометры, предоставляющие функцию компаса в микросхемном исполнении. Сегодня их повсеместно можно встретить в потребительских электронных устройствах (смартфонах, планшетах), автомобилях, робототехнике и т.п. Зачастую они входят в состав сложных навигационных систем, а в сочетании с акселерометром и/или гироскопом представляют собой инерциальную систему, способную точно определять местоположение в трехмерном пространстве.

Магнитометр представляет собой устройство для измерения интенсивности одной или нескольких составляющих магнитного поля. Сегодня рынок предоставляет широкий выбор двух- и трехосевых электронных компасов в интегральном исполнении. Для более полного понимания принципа действия такого компаса рассмотрим основные положения теории магнетизма и принципы определения направления вектора магнитного поля Земли.

Магнитное поле Земли в каждой точке пространства характеризуется вектором напряженности Т, направление которого определяется тремя составляющими по осям X, Y и Z в прямоугольной системе координат (Рисунок 1). Также магнитное поле Земли можно описать горизонтальной составляющей напряженности Н, магнитным склонением D (углом между Н и плоскостью географического меридиана) и магнитным наклонением I (углом между Т и плоскостью горизонта).

Рисунок 1. Составляющие магнитного поля Земли.

Основной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция B, представляющая собой векторную величину. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением силы, действующей на северный полюс магнита, помещенного в данную точку магнитного поля. Величина B выражается единицей измерения тесла (Тл или (Н/А·м)). Тесла является довольно крупной величиной магнитной индукции, поэтому для измерения слабых магнитных полей применяют мелкую дольную единицу – микротесла (мкТл). Стоит заметить, что полный вектор магнитного поля Земли составляет всего около 50 мкТл. Но в документации на МЭМС-магнитометры обычно приводится другая единица измерения, характеризующая магнитное поле – гаусс (Гс). Гаусс представляет собой единицу измерения магнитной индукции в системе СГС. При этом справедливы следующие равенства:

1 Гс = 100 мкТл,

1 Тл = 104 Гс.

Магнитная индукция связана с напряженностью магнитного поля соотношением:

(1)

Здесь
μ – магнитная проницаемость среды,
μ0 – магнитная постоянная.

Исходя из (1), можно утверждать, что B ~ H. В итоге, на практике для определения направления вектора магнитного поля Земли измеряют две его составляющие по оси X и оси Y (Рисунок 2), а затем вычисляют угол φ на основании следующих формул:

(2)

(3)
Рисунок 2. Разложение вектора магнитного поля Земли на составляющие.

Для более детального понимания принципа действия магнитометра рассмотрим работу датчика HMC5883L компании Honeywell. Этот датчик (см. Рисунок 3) представляет собой устройство для измерения магнитного поля по осям X, Y и Z. Он является типовым представителем семейства магнитометров общего назначения, применяемых в мобильных телефонах, планшетах, автомобильных навигационных системах, персональных навигационных устройствах и прочей потребительской электронике. Такие датчики по принципу своего действия, методу связи с управляющим устройством и даже по структуре регистров не сильно отличаются друг от друга. Так, например, HMC5883L по перечисленным характеристикам очень похож на магнитометр в составе инерциальной системы LSM303 компании STmicroelectronics.

Рисунок 3. Магнитометр HMC5883L на печатной плате.

HMC5883L может измерять магнитное поле в диапазоне от –8 до +8 гаусса. Благодаря изменяемому коэффициенту усиления (GN) чувствительность датчика может варьироваться от 0.73 мГс/LSB (милигаусс на младший значащий разряд) до 4.35 мГс/LSB при изменении GN от 0 до 7, соответственно. Настройка и считывание данных происходит по шине I2C. Всего имеется 12 восьмиразрядных регистров. Два регистра настройки (Register A и Register B) позволяют изменять частоту выдачи данных, режим измерения, количество выборок за время одного замера и коэффициент усиления. С помощью регистра режима (Mode Register) можно выбрать режим функционирования датчика: либо он будет измерять непрерывно (Continuous-Measurement Mode), либо проведет измерение один раз и перейдет в режим ожидания (Single-Measurement Mode). В шесть регистров, расположенных по адресам с 0x03 по 0x08, помещаются результаты измерений. На одну ось выделяется по два регистра (Output Register A и Output Register B), причем регистр A является старшим по отношению к регистру B. Полученное значение представляется 12-разрядным числом. Регистр статуса (Status Register) имеет всего два бита – бит готовности (RDY) и бит «защелки» (LOCK). Бит готовности устанавливается после того, как данные будут записаны во все шесть выходных регистров. Для осуществления не программного, а аппаратного опроса, его функция дублируется выводом DRDY. Бит «защелки» устанавливается, когда данные из одного или нескольких (но не из всех) выходных регистров были считаны, либо когда был считан регистр режима. Оставшиеся три регистра представляют собой идентификационные регистры (Identification Registers), позволяющие управляющему устройству при необходимости определить этот датчик.

Доступ к магнитометру осуществляется по шине I2C. Запись производится по адресу 0x3C, а чтение – 0x3D. Для удобства считывания данных имеется функция автоматического инкремента адреса выходных регистров с последующим переходом на адрес 0x03 (старший регистр оси X) по завершении считывания данных из всех выходных регистров. Необходимо также отметить, что выходные регистры расположены в «неправильном» порядке, то есть при последовательном считывании сначала будут взяты данные оси X, затем оси Z, и в последнюю очередь оси Y. Это необходимо учитывать в программе.

В простейшем случае для определения направления относительно магнитного поля Земли при условии горизонтального расположения платформы необходимо считать данные с выходных регистров осей X и Y, а затем вычислить арктангенс угла в соответствии с формулой (3). Но в реальности, особенно в случае применения магнитометров в составе сложных устройств, где присутствуют дополнительные магнитные поля, например, внутри автомобилей, судов и т.п., на датчик действуют помехи, искажающие его показания.

Существуют два типа искажений, действующих на компас. Первое называется искажением твердого железа (Hard Iron Distortion). Оно по своей природе является аддитивным, то есть к изначально измеряемому полю добавляется дополнительное, создаваемое постоянным магнитом (например, динамиками звуковых колонок). При неизменной ориентации такого магнита относительно датчика, смещение, вносимое им, будет также неизменно. Ко второму типу относится искажение мягкого железа (Soft Iron Distortion). Оно создается посторонними предметами, искажающими уже имеющееся магнитное поле. Например, предметы, выполненные из пермаллоя, никеля и т.п., не создают своего магнитного поля, но изменяют форму поля, измеряемого датчиком. Компенсация мягкого железа очень актуальна на кораблях, где намагниченные полем Земли части судна при изменении его ориентации относительно магнитного полюса перемагничиваются и вновь вносят искажения в процесс измерения. Таким образом, компенсация мягкого железа представляет собой более сложную задачу.

Вначале рассмотрим процесс компенсации влияния твердого железа. Следует учесть, что здесь и далее предлагается компенсация в двумерном пространстве. Компенсация в трех измерениях, которая обязательна для воздушных судов, требует использования комплексного математического аппарата, и в данном случае не рассматривается. Ознакомиться с таким методом ликвидации магнитных помех можно в . В начале процедуры устранения искажений датчик располагается горизонтально, и вокруг вертикальной оси совершается, как минимум, один полный оборот. Далее выделяются точки, имеющие максимальное и минимальное значение по осям X и Y. Найденные значения максимумов и минимумов используются для устранения смещения нуля:

(4)

Через найденные коэффициенты и изначально полученные данные (XН, YН) можно выразить скорректированные по методу компенсации твердого железа величины по осям X и Y:

(5)

На Рисунке 4 отображены результаты эксперимента по проведению компенсации такого вида. В ходе эксперимента вблизи датчика был расположен магнит. Нижний левый график отчетливо показывает факт смещения центра фигуры из точки (0,0) из-за вносимой постоянной составляющей. После вычислений по формулам (4) и (5) центр был смещен в точку начала, как видно на нижнем правом графике.

Рисунок 4. Компенсация искажения твердого железа.

В ходе эксперимента также было воспроизведено небольшое влияние искажения мягкого железа. По полученному изображению видно, что фигура представляет собой не четко сформированную окружность, а эллипс с некоторым наклоном относительно координатных осей. Изменение магнитного поля такого вида как раз характерно для искажения мягкого железа, которое, как говорилось выше, не вносит дополнительного магнитного поля, а влияет на форму уже имеющегося.

Для компенсации такого искажения необходимо сначала нормировать эллипс относительно осей координат, то есть произвести его поворот на определенный угол. В ходе этой операции нужно найти большую (a) и малую (b) полуоси эллипса (схематично представлено на Рисунке 5). Применяя формулу вычисления радиуса (6) для каждой точки эллипса, находят максимально удаленную точку от начала координат, расстояние до которой будет равно длине большой полуоси, и минимально удаленную точку, являющейся концом малой полуоси.

(6)
Рисунок 5. Пример изменения напряженности магнитного поля при значительном влиянии искажения мягкого железа.

Затем определяется угол наклона φ относительно определенной оси координат либо малой полуоси, либо большой. После нахождения этого угла становится возможным осуществить поворот эллипса таким образом, чтобы его полуоси совпадали с осями координат. Формула (7) определяет матрицу поворота, которая потребуется для проведения данной операции. Эта матрица умножается на вектор-столбец ν, являющийся набором всех значений XТЖ и YТЖ.

(7)

(8)

Повернутый эллипс далее необходимо преобразовать в окружность с целью устранения искажения мягкого железа. Для этого используется масштабный коэффициент, определяемый формулой (9), который необходим для «сжатия» эллипса вдоль большой полуоси.

(9)

Каждое значение по оси, с которой совпадает большая полуось, должно быть умножено на этот масштабный коэффициент для получения желаемой окружности. Результат такой трансформации представленного на Рисунке 4 эллипса можно видеть на Рисунке 6.

Рисунок 6. Окружность, полученная после компенсации влияния искажения мягкого железа.

Далее для того, чтобы вернуть значения составляющих напряженности магнитного поля в исходное положение, нужно вновь произвести поворот полученной фигуры на тот же угол, но уже в противоположном направлении. При этом снова используются формулы (7) и (8) с единственным отличием – угол φ берется с противоположным знаком.

На этом процесс устранения искажений завершается. Но следует помнить, что к компенсации искажения мягкого железа можно приступать лишь после успешно проведенной операции по устранению искажения твердого железа и при условии, что платформа остается в горизонтальном положении, либо наклон контролируется с помощью данных по оси Z или акселерометра. В итоге становится возможным получить более точное значение азимута. Поскольку при вращении электронного компаса возникают ситуации деления на ноль, целесообразно пользоваться нижеприведенной Таблицей 1.

Таблица 1. Расчет азимута
X Y Азимут
0 <0 90
>0 270
<0 любое
>0 <0
>0

В результате, используя магнитометры общего назначения, можно за малые деньги создать довольно точный электронный компас. Например, стоимость датчика HMC5883L, задействованного для проведения описанных экспериментов, составляет примерно 150-170 рублей, а вариант готового изделия SEN-10530 компании SparkFun с необходимой обвязкой и удобными контактами для пайки находится в ценовом диапазоне 500-600 рублей (схема подключения находится по ссылке ). Связав в единую измерительную сеть такой магнитометр, акселерометр и гироскоп, можно получить полноценную инерциальную систему, определяющую свое местоположение в пространстве. А областей применения, как электронного компаса, так и полноценной инерциальной системы в современном мире найдется предостаточно.

Ссылки

  1. Воронов В.В, Григорьев Н.Н., Яловенко А.В. Магнитные компасы. Теория, конструкция и девиационные работы. – СПб.: «Элмор», 2004. – 192 с.
  2. 3-axis digital compass IC HMC5883L. Datasheet. Документация Honeywell.
  3. AN-203. Compass heading using magnetometers. Документация Honeywell.
  4. AN-215. Cross axis effect for AMR magnetic sensors. Документация Honeywell.
  5. Michael J. Caruso. Applications of Magnetic Sensors for Low Cost Compass Systems.
  6. Michael J. Caruso. Applications of Magnetoresistive Sensors in Navigation Systems.
  7. Bratland T., Hong W. Linear Position Sensing Using Magnetoresistive Sensors.
  8. Compensating for Tilt, Hard Iron and Soft Iron Effects. Документация MEMSense.
  9. AN4246. Calibrating an eCompass in the Presence of Hard and Soft-Iron Interference. Документация Freescale.
  10. HMC5883L_Breakout-v11

Иногда в процессе работы, научного исследования или простого любопытства возникает необходимость в определении магнитных величин. Их можно либо рассчитать по формулам, имея необходимые данные, или же произвести замер магнитной величины. В данной статью мы будем рассматривать измерение магнитных величин.

К магнитным величинам, как правило, относят напряженность магнитного поля H, поток магнитный Ф, а также величину магнитной индукции В.

Методику измерения магнитных величин основывают на преобразовании этих величин в электрические, и с помощью электроизмерительного прибора приводят к доступному для человеческого восприятия виду.

Наиболее широкое распространение получили два метода измерения – индукционный и гальваномагнитных эффектов. Разберем каждый в отдельности.

Индукционный метод

Он основан на эффекте возникновения ЭДС в витках электромагнитной катушки при изменении магнитного потока Ф, который сцепляется с ним, как это показано ниже:

Аналитическая зависимость будет иметь вид:

Где: w – число витков в катушке, ψ – потокосцепление.

Если магнитный поле будет однородно, то поток магнитный Ф будет связан с магнитной индукцией В следующим выражением – Ф = Вs, где s – представляет собой площадь сечения катушки.

Если среда, в которой происходит такое явление воздушная, то индукция магнитная В будет связана с напряженностью магнитного поля H такой зависимостью: В = μ0Н, где μ0 – магнитная постоянная для воздушной среды.

Можно сделать вывод, что индукционный метод позволяет определить напряженность магнитного поля, магнитный поток и индукцию магнитную:

Приборы, которые измеряют магнитный поток, называют веберметрами.

Простейшая схема такого устройства показана ниже:

Она состоит из индукционной катушки, обозначенной на схеме (Wк) и интегрирующего устройства ИУ. Магнитоэлектрические гальванометры, без устройств противодействующего момента, зачастую используют в качестве интегрирующих устройств ИУ. Если катушку измерительного устройства подносить или удалять от магнитного поля, то отклонения измерительного механизма будет пропорционально магнитному потоку и определятся зависимостью:

Где: α – угол отклонения стрелки прибора, Wк – количество витков в катушке измерительной, Сф – цена деления веберметра.

Например, веберметры типа М199 и М1119 имеют цену деления 5*10-6 и 10-4 Вб/дел, а основная их погрешность лежит в пределах ±1,5%.

Метод гальваномагнитных эффектов

Очень широкое применение из этих гальваномагнитных эффектов получил так называемый метод Холла.

Суть его заключается в следующем – если через пластину, которая состоит из полупроводника и находится в магнитном поле с индукцией В, пропустить какой – то ток I, то между точками Х – Х возникнет разность потенциалов Ех, которая носит название ЭДС Холла. Схема приведена ниже:

ЭДС Холла будет равна:

Где: Sп – чувствительность преобразователя при токе I.

Устройства, которые измеряют магнитную индукцию В называют тесламетрами.

Упрощенная схема такого прибора с преобразователем Холла (ПХ) показана ниже:

Преобразователь Холла запитуют переменным током через трансформатор ТР от генератора Г. Измеряют ЭДС Холла компенсационным методом . Напряжение компенсирующее Uк, снимают с резистора R1 и подают в противофазе с ЭДС Холла на сравнивающее устройство СУ. С помощью переменного резистора R производят градуировку сравнивающего устройства. Также питание датчика Холла и компенсационной цепи от одного источника напряжения позволяет исключить погрешность от нестабильной частоты и напряжения генератора.

По такой схеме работает тесламетр типа Ш1-8, который может измерять индукцию в диапазоне от 0,01 – 1,6 Тл. Основная погрешность этого устройства не превышает ±2%.

Также датчики Холла очень активно применяют в современных асинхронных электродвигателях с векторным управлением по потокосцеплению электрической машины.

Электрические и магнитные измерения

ЛЯЛИКОВ

1. Охарактеризуйте эмпирические методы познания. Свойства, удовлетворяющие отношению эквивалентности, понятие о счете. Охарактеризуйте интенсивные величины и экстенсивные величины.

2. Дайте понятие о единице величины и измерении. Понятие о шкалах измерений, размерности величин. Описать принципы систематизации физических величин.

3. Охарактеризуйте измерение, как многооперационную процедуру. Элементарные и комплексные средства измерений.

4. Охарактеризуйте воспроизведение величины заданного размера. Мера и их разновидности.

5. Дайте понятие о сигнале. Подразделение физических сигналов в зависимости от возможности создания разностного сигнала. Устройства сравнения. Результат сравнения

6. Охарактеризуйте измерительное преобразование и измерительный преобразователь.

7. Охарактеризуйте масштабирование величины. Масштабный преобразователь и его разновидности.

8. Дайте понятие о результате и погрешности измерения. Описать процедуру и алгоритм измерения. Перечислить основные уравнения измерений, простейшие структурные схемы непосредственных измерений.

9. Опишите алгоритмы прямых абсолютных измерений наборами ЭСИ без предварительного преобразования рода величины, основанные на методах сопоставления и уравновешивания.

10. Приведите методы измерений наборами ЭСИ при наличии предвари­тельных преобразований.

11. Приведите методы измерений с предварительным функциональным преобразованием и их классификация по способу выполнения функционального преобразования, по месту включения функционального преобразователя.

12. Дайте понятие технического контроля состояния объекта. Описать виды контроля. Определите методы однопараметрового контроля и его алгоритмы.

НЕДОЛУГОВ

Первичные измерительные преобразователи

1. Объясните принцип действия реостатных преобразователей. Приведите примеры их применения.

2. Расскажите о назначении и принципе действия тензорезистивных преобразователей.

3. Объясните принцип действия пьезоэлектрических преобразователей. Приведите примеры их применения.

4. Объясните принцип действия емкостных преобразователей. Приведите примеры их применения.

5. Объясните принцип действия индуктивных преобразователей. Приведите примеры их применения.

6. Объясните принцип действия термоэлектрических преобразователей. Приведите примеры их применения.

7. Охарактеризуйте терморезисторы. Объясните их назначение и область применение.

8. Объясните принцип действия преобразователей ионизирующего излучения. Приведите примеры их применения.

9. Объясните принцип действия электролитических преобразователей. Приведите примеры их применения.

10. Расскажите о назначении и принципе действия гальванических преобразователей.

ПРАКТИКА

1. Покажите изменения показания ртутного U-образного манометра, если атмосферное давление уменьшилось на 7кПа при неизменном абсолютном измеряемом давлении. Температура окружающей среды и g не изменились.

2. Покажите зависят ли чувствительности медного и платинового термометров сопротивления от температуры, если известно, что сопротивления связаны с температурой выражениями Rt=R0(1+αt) для медного и Rt=R0(1+At+Bt2) для платинового, где α- температурный коэффициент сопротивления, A и B – const t- температура в 0С, R0 –сопротивление при 00С?

3. Определите изменение показаний манометрического ртутного термометра, если при градуировке термобаллон и показывающий прибор находились на одном уровне, а в реальных условиях показывающий прибор расположен выше, чем термобаллон?

Ассанович

Электрические и магнитные измерения

1. Расскажите о применении магнитоэлектрических приборов для измерения электрических и неэлектрических величин.

2. Расскажите об измерительных преобразователях. Расширение пределов измерений. Структурные схемы. Калибровка.

3. Приведите основные параметры напряжения и связь между ними. Классификация электронных вольтметров.

4. Охарактеризуйте измерение постоянного напряжения. Измерение переменного напряжения. Детекторы. Широкополосные и селективные вольтметры.

5. Опишите назначение, параметры и классификация. Аналогово-цифровые преобразования. Погрешности измерения напряжения цифровыми вольтметрами.

6. Расскажите о методах преобразования: время–импульсное, частотно-импульсное, поразрядное уравновешивание, двойное интегрирование.

7. Опишите назначение, классификацию осциллографов. Приведите методы: калиброванных шкал, сравнения дифференциальные методы.

8. Расскажите об измерении частоты и фазы. Аналоговые и цифровые частотомеры и фазометры. Характеристики приборов.

9. Расскажите об измерительных сигналах и их классификации. Представление периодических сигналов в виде ряда Фурье.

10. Расскажите о преобразовании Фурье непериодических сигналов. Свойства преобразования Фурье.

11. Расскажите о преобразовании измерительных сигналов: гармонические модулированные сигналы и их особенности (амплитудная, частотная, фазовая модуляция и детектирование).

Комар В.Н.

1. Охарактеризуйте систематические, случайные и грубые погрешности. Охарактеризуйте постоянные и переменные систематические погрешности. Приведите конкретные примеры видов погрешностей

2. Дайте характеристику видам средств измерений.

3. Расскажите об инструментальной погрешности. Класс точности средств измерений. Основная и дополнительная погрешности

4. Расскажите о многократных измерениях. Поясните понятие доверительного интервала.

5. Расскажите о назначении и принципах построения поверочных схем.

6. Дайте характеристику и приведите классификацию эталонов единиц физических величин.

ВАСИЛЬЕВ

ПРАКТИКА

  1. Нарисуйте основные схемы включения биполярных транзисторов. Дайте характеристику каждой из них.
  2. Нарисуйте входные и выходные характеристики биполярного транзистора включенного по схеме с общей базой. Поясните характер приведенных зависимостей.
  3. Нарисуйте типовые передаточные характеристики всех типов полевых транзисторов. Поясните характер приведенных зависимостей.
  4. Нарисуйте схему электронного ключа на полевом транзисторе с управляющим р-п переходом. Поясните назначение элементов схемы.
  5. Нарисуйте схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителя на ОУ. Выведите значения коэффициентов усиления по напряжению для данных схем.
  6. Нарисуйте схему суммирующего усилителя на ОУ (3 входа). Поясните назначение элементов схемы.
  7. Нарисуйте схему усилителя на биполярном транзисторе с цепью термостабилизации. Поясните назначение элементов схемы.
  8. Нарисуйте схему электронного ключа на биполярном транзисторе. Поясните назначение элементов схемы.
  9. Нарисуйте схему одновибратора на ОУ. Поясните назначение элементов схемы.
  10. Нарисуйте схему асинхронного RS-триггера на логических элементах. Приведите таблицу истинности RS-триггера.
  11. Нарисуйте схему параметрического стабилизатора напряжения. Поясните назначение элементов схемы.
  12. Нарисуйте схему замещения динистора в виде двух триодных структур. Выведите условие включения динистора.
  13. Нарисуйте схему и диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя с П-образным LC-фильтром. Поясните назначение элементов схемы.
  14. Нарисуйте схему мультивибратора на ОУ. Поясните назначение элементов схемы.
  15. Нарисуйте схему и диаграммы работы выпрямителя с выводом от нулевой точки с Г-образным LC-фильтром. Поясните назначение элементов схемы.
  16. Нарисуйте схему дифференциатора и интегратора на базе ОУ. Поясните назначение элементов схемы.
  17. Нарисуйте схему компенсационного стабилизатора на базе ОУ. Поясните назначение элементов схемы.
  18. Нарисуйте схему симметричного дифференциального каскада на базе биполярных транзисторов. Поясните назначение элементов схемы.
  19. Нарисуйте вольамперную характеристику полупроводникового диода. Определите дифференциальное сопротивление диода в произвольной точке прямой ветви.
  20. Нарисуйте схему гармонического генератора на ОУ с мостом Вина. Поясните назначение элементов схемы. Чем определяется частота генерации?
  21. Нарисуйте схему сложения-вычитания на ОУ, позволяющую осуществлять действия с учетом множителей. Поясните назначение элементов схемы
  22. Нарисуйте эквивалентную схему биполярного транзистора с использованием h-параметров. Поясните смысл h-параметров.

РАМАЗАНОВ

“Схемотехника цифровых и аналоговых устройств”

1. Охарактеризуйте транзисторный усилитель — ограничитель, опишите схему, режимы, расчет элементов.
2. Охарактеризуйте триггер Шмитта, схему, опишите принцип работы, расчет элементов.
3. Охарактеризуйте базовый элемент ТТЛ, схему, объясните принцип работы, приведите основные параметры.
4. Охарактеризуйте формирователи импульсов на ТТЛ, схемы, объясните принцип работы, приведите параметры выходных импульсов.
5. Охарактеризуйте генераторы линейно-изменяющихся напряжений, приведите основные схемы, принцип работы, параметры выходных импульсов.
6. Опишите классификацию цифровых автоматов, кодирование, цифровой информации, основные тождества и функции алгебры логики, ФПН.
7. Охарактеризуйте способы задания ФАЛ и их связь, приведите примеры.
8. Охарактеризуйте минимизацию ФАЛ, основные методы, приведите алгоритм Вейча-Карно.
9. Раскройте суть КЦА, синтез, схемотехника, приведите примеры, особенности синтеза.
10. Охарактеризуйте последовательностные цифровые автоматы: триггеры, счетчики, регистры, классификация, схемотехника, синтез.

РАМАЗАНОВ

«ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА»

1. Приведите обобщенную структурную схему микроконтроллерных систем управления, этапы разработки, пример.

2. Охарактеризуйте структурную схему PIС контроллеров на примере микросхемы 16С52, принципы работы, назначение регистров, организацию памяти.

3. Охарактеризуйте динамическую индикацию на PIC 16С52, схема, назначение элементов, временные диаграммы, исходный текст ПО.

4. Охарактеризуйте промышленные контроллеры. Опишите структуру систем сбора, обработки данных и управления с их использованием.

5. Охарактеризуйте формирователи последовательных протоколов на PIC 16С52, структуру пакета, блок-схему и исходный текст ПО.

6.Опишите принцип страничной организации памяти PIC 16F877, модуль АЦП, циклограмму, блок-схему и исходный текст ПО.

7. Охарактеризуйте SPI модуль PIC 16F877, структуру, организацию взаимодействия с внешней EEPROM, блок-схему и исходный текст ПО.

8. Опишите модули таймеров PIC 16F877, архитектуру и программирование.

9. Опишите ЦАП с использованием модуля ШИМ PIC 16F877, приведите блок-схему и исходный текст ПО.

10. Опишите пример АС измерения температуры с использованием интеллектуальных датчиков, схему, формат выходного сигнала, структуру протокола mLAN.

Практические задания

По курсу “Схемотехника цифровых и аналоговых устройств”

1. Вывести аналитическое выражение для коэффициента нелинейности ГЛИН с ПОС.
2. Вывести расчетные соотношения для потребляемой мощности схемой ТУО в режиме отсечки и насыщения
3. Синтезировать схему одноразрядного полного арифметического сумматора в базисе «И-ИЛИ-НЕ»
4. Синтезировать схему дешифратора для семисегментного индикатора в базисе «И-ИЛИ-НЕ»
5. Синтезировать схему синхронного суммирующего счетчика на D триггерах, с модулем счета К=8 в базисе «И-ИЛИ-НЕ»

По курсу “Программируемые цифровые устройства”

1. Разработать исходный код процедуры для обработки сигнала от одиночного дискретного датчика для контроллера PIC 16C52
2. Разработать исходный код процедуры для подсчета числа событий в заданном интервале для контроллера PIC 16C52
3. Разработать исходный код процедуры косвенной адресации РОН для контроллера PIC 16C52
4. Разработать исходный код процедуры для записи в ОЗУ поступающих данных в параллельном коде для контроллера PIC 16C52
5. Разработать блок-схему алгоритма динамической индикации для 4-х разрядного семисегментного индикатора и контроллера PIC 16C52

СЕБРОВСКАЯ

| следующая лекция ==>
ЕҰ Дерекқорына мәліметтер беру жөніндегі сұрақтар бойынша қайда хабарласуға болады? | Дисциплина «Безопасное ведение подземных горных работ» — 3 вопрос

Дата добавления: 2017-03-12; просмотров: 231 | Нарушение авторских прав

Рекомендуемый контект:

Поиск на сайте:

Измерение электрических и магнитных величин

По системе СИ единицы электрических и магнитных величин, приведены в табл. ниже:

Величина

Наимено-

вание

Обозначение

Величина

Наимено-

вание

Обозначение

русское междунар. русское междунар.
Сила электрического тока, магнитодвижущая сила Ампер А А Электрическая постоянная, абсолютная диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая восприимчивость Фарад на метр Ф/м F/m
Линейная плотность электрического тока, напряженность магнитного поля Ампер на метр А/м А/m Магнитная индукция, плотность магнитного поля Тесла Тл T
Поверхностная плотность электрического тока Ампер на квадратный метр А/м2 A/m2 Индуктивность, взаимная индуктивность, магнитная проводимость Генри Гн H
Магнитный момент Ампер-квадратный метр А∙м2 A∙m2 Магнитное сопротивление Генри в минус первой степени Гн-1 H-1
Количество электричества, электрический заряд, поток электрического смещения Кулон Кл C Магнитная постоянная, абсолютная магнитная проницаемость Генри на метр Гн/м H/m
Линейная плотность электрического заряда Кулон на метр Кл/м C/m Магнитный поток Вебер Вб Wb
Электрическое смещение, поверхностная плотность электрического заряда Кулон на квадратный метр Кл/м2 C/m2 Электрическая проводимость Сименс См S
Объемная плотность электрического заряда Кулон на куб. метр Кл/м3 C/m3 Удельная электрическая проводимость Сименс на метр См/м S/m
Момент электрического диполя Кулон-метр Кл∙м C∙m Электрическое сопротивление Ом Ом Ω
Напряжение, потенциал, разность потенциалов, электродвижущая сила Вольт В V Удельное электрическое сопротивление Ом-метр Ом∙м Ω∙m
Напряженность электрического поля Вольт на метр В/м V/m Мощность: активная, реактивная, полная Ватт Вт W
Электрическая емкость Фарада Ф F

Электрические и магнитные измерительные устройства встречаются на практике не только как измерители собственно электрических величин — силы тока, напряжения, сопротивления, емкости и т. д. Огромное количество электрических и магнитных устройств используется в преобразователях и датчиках в других видах измерений, например в измерениях перемещений, температуры, давления, влажности, в измерениях состава веществ и материалов, в светотехнике и т.д. То же самое относится и к выходным устройствам измерительной техники. Блоки питания, различные преобразователи, блоки памяти, самописцы, блоки сопряжения узлов измерительных приборов — во всех этих узлах измерительной техники преобладающими являются электрические и магнитные элементы.

Рис. 4.56 Электроизмерительные приборы: ЕМ- измерительные приборы, QM- приборы для измерения отношений.

Автоматизация системы контроля и управления сбором данных

Автоматизированная система метрологического обеспечения осуществляет: метрологический контроль за измерительной техникой; метрологический контроль за испытательной техникой; метрологическую экспертизу технической документации; координацию и планирование метрологической деятельности; регулирование деятельности по метрологическому обеспечению производства.

На производстве все больше уделяется внимания механизации и автоматизации процесса измерения, что связано с автоматизацией процессов производства современных машин, повышением их качества, точности и надежности и сокращением времени и стоимости измерений и контроля. Контроль изделий осуществляется как простейшими устройствами и приспособлениями, так и сложными контрольными автоматами.

По степени автоматизации устройства контроля размеров делят на механизированные приспособления, полуавтоматические системы, автоматические системы и самонастраивающиеся (адаптивные) автоматические системы.

Механизированные приспособления применяют для одновременной или последовательной проверки нескольких размеров сложных деталей в серийном и массовом производстве. В таких приспособлениях операцию загрузки и съема деталей осуществляют вручную.

В полуавтоматических системах часть операций (загрузка, а иногда и сортировка) выполняются вручную, а все остальные операции автоматически.

Контрольные автоматические системы (все процессы полностью автоматизированы) широко применяют для контроля деталей по разным параметрам.

По воздействию на технологический процесс различают пассивные и активные автоматические средства контроля размеров.

Пассивные фиксируют размеры деталей, разделяя их па годные и брак (исправимый и неисправимый), или сортируют их на группы при селективной сборке. На ход технологического процесса они не влияют.

Активные средства контролируют размеры деталей в процессе изготовления и по результатам контроля подают команду на изменение режимов обработки, на включение станка или на подналадку системы. Наличие обратной связи позволяет по результатам контроля управлять точностью технологического процесса и тем самым предупреждать появление брака.

В самонастраивающихся автоматических системах автоматизированы циклы работы и настройки, а также системы, которые могут приспосабливаться к изменяющимся условиям среды.

Электромеханические измерительные приборы

Приборы магнитоэлектрической системы (рис. 4.56) могут работать на постоянном токе, а при использовании дополнительных преобразований — и на переменном.

В однородном магнитном поле постоянного магнита располагается на опорах рамка, которая может вращаться. Ток, проходящий через витки этой рамки, имеет направление, перпендикулярное направлению магнитных линий поля.

Электрический ток подается через два пружинных элемента (ленточные растяжки, спиральные пружины), которые одновременно создают механический противодействующий момент.

Электродинамические измерительные приборы основаны на принципе взаимодействия токов. Они могут применяться для измерений как на переменном, так и на постоянном токе.

Электродинамический измерительный прибор с замкнутой магнитной цепью (рис. 4.56) работает как прибор магнитоэлектрической системы, но с той разницей, что вместо постоянного магнита используется электромагнит.

В электродинамическом измерительном приборе без ферромагнитного сердечника (рис. 4.56) полностью отсутствуют ферромагнитные элементы. При возбуждении магнитного поля принцип действия прибора такой же, как у прибора с замкнутой магнитной цепью.

Электромагнитные измерительные приборы с подвижным магнитом также основаны на магнитоэлектрическом принципе. Они могут быть использованы для измерений на постоянном токе, а с дополнительными преобразователями — и на переменном токе. В поле неподвижной катушки находится вращающийся постоянный магнит (магнитная игла, диск или полый цилиндр), который устанавливается в направлении постоянного внешнего поля (например, магнитного поля Земли). При прохождении тока вращающийся магнит перемещается в направлении результирующего поля, образуемого направляющим полем и нолем катушки.

Прибор с подвижным магнитом представляет собой обращенный измерительный прибор магнитоэлектрической системы, то есть катушка и постоянный магнит меняются местами.

Электроизмерительные приборы индукционной системы могут применяться только для измерений на переменном токе. Во вращающемся магнитном поле располагается подвижный замкнутый проводник (барабан или диск). В результате наведения вихревых токов подвижный проводник перемещается в направлении вращающегося магнитного поля.

Электромагнитные измерительные приборы (рис. 4.56) могут быть использованы для измерений на постоянном и переменном токе. Важнейшими типами этих приборов являются приборы с плоской и круглой катушками. В приборах с плоской катушкой внутри катушки возбуждения находится эксцентрично закрепленная подвижная ферромагнитная пластина, ось поворота которой расположена перпендикулярно оси катушки возбуждения. При протекании электрического тока пластинка под воздействием электромагнитного поля перемещается в катушке, то есть поворачивается вокруг своей оси. В приборе с круглой катушкой внутри катушки возбуждения находятся неподвижная и подвижная ферромагнитные пластинки, причем ось поворота последней параллельна оси катушки. При протекании электрического тока пластинки намагничиваются в одинаковом направлении и, следовательно, отталкиваются друг от друга. При этом подвижная пластинка поворачивается в направлении меньшей ширины неподвижной пластинки.

Электростатические измерительные приборы могут быть использованы для измерений как на постоянном, так и на переменном токе. Измерительный прибор состоит из конденсатора, электроды которого закреплены так, что имеется возможность, прикладывая электрическое напряжение, получать механическое усилие, действующее в направлении увеличения емкости. Изменение емкости может осуществляться путем изменения либо эффективной площади электродов, либо расстояния между электродами.

Электротермические измерительные приборы

Измерительные приборы с нагреваемой нитью (рис. 4.56) позволяют проводить, измерения на постоянном или переменном токе. В зависимости от силы тока, протекающего через проволоку, изменяются температура и длина проводника.

Биметаллические приборы также основаны на термоэлектрическом принципе измерения. Они используются дли измерений на постоянном и переменном токе. Биметаллическая полоска нагревается непосредственно измеряемым током или с помощью изолированной обмотки. Спиралеобразная, укрепленная с одной стороны биметаллическая полоска нагревается и искривляется в зависимости от силы измеряемого тока вследствие различных коэффициентов линейного расширения обоих металлов.

Термоэлектрические преобразователи могут быть использованы для измерений на постоянном и переменном токе. Они наиболее предпочтительны для измерений высокочастотных токов. Термоэлектрические преобразователи состоят из проволоки, которая нагревается протекающим через нее измеряемым током. В середине проволоки помещается измерительный участок термоэлемента. Возникающая термоЭДС пропорциональна температуре нагрева,

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *