Методичка ОППиС (Первичные преобразователи)

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

Согласовано		Утверждаю
Руководитель ООП		Зав. кафедрой ПС
по направлению 200100		проф. А.И. Потапов
Зав. кафедрой ПС
проф. А.И. Потапов

ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«Основы проектирования приборов и систем»

(наименование по рабочему учебному плану)

Направление: 200101.65 «Приборостроение» Профиль: «Контрольно-измерительные приборы и системы»,

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр, специалист. Форма обучения: очная, очно-заочная, заочная

Составитель: Профессор

В.Е. Поляков

Санкт-Петербург, 2012

Рабочая программа дисциплинвы «Основы проектирования приборов и систем» составлена:

∙В составлении с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению 200101.65 – приборостроения и профилю подготовки приборостроения

∙На основании учебного плана направления 200101.65-приборостроения и профиля подготовки приборостроения.

1.Цель преподавания дисциплины: формирования у студентов научного

стиля мышления, приобретения знаний об основных структурах, алгоритмов работы, характеристиках измерительных приборов и систем.

2. Задачи изучения дисциплин:

2.1изучение основных физических явлений, эффектов и законов, принципов преобразования физических величин, принципов построения и проектирования контрольно-измерительных приборов и их чувствительных элементов первичных преобразователей.

2.2 Овладение методами физического эксперимента в области измерения механических, физических величин и параметров электрическими методами 2.3. Ознакомление с современной научной-исследовательской аппаратурой, схемами включения первичных преобразователей в измерительную цепь и

формирование навыков для эксплуатации контрольно-измерительных приборов и умения оценить достоверность полученных результатов

3. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Основы проектирования приборов и систем» относится к вариативному циклу основной образовательной программы. Содержание дисциплины базируется на знаниях, полученных при изучении общетеоретических дисциплин, в том числе: «Высшая математика», «Физика», «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов», а так же общеинженерных дисциплин:

«Теория механихмов и машин», «Детали приборов», «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения», «Основы метрологии, точность и надежность».

Знания, полученные при изучении дисциплины «Основы проектирования приборов и ситем» используется в дисциплинах: «Контрольно-измерительные приборы», «Детали приборов и основы конструирования».

4. Требования к результатам освоения дисциплины:

Студент, освоевший дисциплину, должен: знать и уметь использовать:

∙Основные законы механики, электричества и магнетизма, колебаний и волн, квантовой физики и прикладной оптики;

2

∙Методы и методики теоретических и экспериментальных исследований и измерений различных физических величин;

∙Методы рассчета и численной оценки при передаьточных функций и чувствительности к измеряемым физическим величинам;

∙Проведения измерений физических величин с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры;

∙Компьютерной, аналитической и графической обработки результатов.

5.СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 5.1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ПО ГОС

Преобразование измерительных сигналов в приборах; типы преобразовате-

лей и преобразование ими сигналов; линейные и нелинейные преобразователи;

информационные аспекты преобразования сигналов; количество информации;

потери информации при преобразовании сигналов; преобразователи различных физических величин и полей; взаимность и обратимость преобразователей;

уравнения и параметры преобразователей; помехозащищенность; взаимодей-

ствие преобразователей с внешней средой.

5.2. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем дисциплины 90 часов)

5.2.1 Введение

Назначение дисциплины. Значение первичных измерительных преобразова-

телей для автоматизации измерений и контроля в машиностроении. Общие во-

просы проектирования преобразователей. Определение понятия «первичные преобразователь». Ряды предпочтительных номиналов, рекомендуемых для проектирования преобразователей. Характеристики эксплуатационных условий преобразователей и методы их описания. Развитие техники первичных изме-

рительных преобразователей. Проявление закона отрицания в развитии методов измерения. Скачкообразный характер развития контрольно-измерительных первичных преобразователей.

5.2.2.Физические величины и контролируемые параметры

3

Физическая величина. Контролируемый параметр. Механические входные характеристики. Выходной сигнал. Методы преобразования физических вели-

чин. Рабочие условия измерений и контроля. Унификация параметров сигналов.

Измерение параметров процессов.

5.2.3.Общие характеристики измерительных первичных преобразователей

Классификация измерительных преобразователей. Генераторные и парамет-

рические преобразователи. Статические характеристики: функция преобразова-

ния, чувствительность, порог чувствительности, линейчатость, гистерезис, по-

следействие, диапазон измерения. Диалектические противоречия точности и диапазона измерений. Разрешение противоречия при повышении точности с одновременным увеличением диапазона за счет применения многозначных мер.

Информационные характеристики первичных преобразователей. Динамические характеристики первичных преобразователей: частотные, фазовые, переходные характеристики.

Быстродействие. Диалектическое противоречие точности и быстродействия.

Критика метафизического тезиса «Обмен точности на быстродействие» и раз-

решение этого противоречия при реализации «прерывистости информации».

Точностные характеристики. Составляющие основной параметр погрешно-

сти первичных преобразователей. Выход параметров первичного преобразова-

теля за допускаемые пределы в процессе эксплуатации первичных преобразова-

телей как результат действия закона о переходе количественных изменений в качественные. Повышение надежности средств измерений в результате выявле-

ния причинно-следственных связей в структуре преобразователей.

5.2.4.Электроконтактные первичные преобразователи

Схемы, принцип действия и функции преобразования. Контакты, процессы в межконтактном зазоре. Вольт-амперная характеристика межконтактного зазо-

ра. Схемы включения электроконтактных преобразователей. Передаточные ме-

4

ханизмы электроконтактных преобразователей. Преобразователи электрическо-

го контактирования. Область применения электроконтактных преобразовате-

лей.

5.2.5.Резистивные первичные преобразователи

Потенциометрические первичные преобразователи. Характеристики преоб-

разователей. Влияние нагрузки на линейность преобразования. Области приме-

нения резистивных преобразователей. Тензометрические преобразователи. Па-

раметры преобразователей. Схемы включения тензометров. Их свойства и об-

ласть применения.

5.2.6. Электромагнитные преобразователи

Физические основы преобразования электромагнитных величин. Классифи-

кация преобразователей. Индуктивные преобразователи с открытой и закрытой цепью. Дифференциальные и недифференциальные преобразователи. Преобра-

зователи с изменяющимся свободным зазором и с изменяющейся площадью за-

зора. Соотношения, определяющие основные характеристики индуктивных преобразователей. Функции преобразования. Линейность. Влияние высших гармоник. Схемы включения индуктивных преобразователей. Области приме-

нения индуктивных преобразователей.

Магнитоупругие преобразователи: принцип действия и основные свойства,

области применения.

Индукционные преобразователи. Основные соотношения. Типы преобразо-

вателей. Области применения.

Физические основы вихревого потока. Типы преобразователей. Зависимости,

определяющие глубину проникновения вихревых токов от частоты и физиче-

ских свойств материалов.

Магнитоэлектрические преобразователи. Прямое и обратное преобразова-

ние. Функции преобразования, чувствительность, диапазон преобразования,

линейность, гистерезис, последействие.

Требования к элементам преобразователей. Области применения магнито-

электрических преобразователей.

5

5.2.7. Электростатические преобразователи

Физические основы пьезоэлектрических преобразователей. Пьезоэффект.

Свойства пьезоэлектрических материалов. Характеристики преобразователей.

Области применения пьезоэлектрических преобразователей.

Емкостные преобразователи. Принцип действия и свойства. Измерительные цепи. Типы преобразователей и расчетные соотношения, определяющие основ-

ные параметры преобразователей. Функция преобразования. Характеристики преобразователей. Область применения емкостных преобразователей.

5.2.8. Электронно-механические преобразователи

Принцип действия. Схемы включения. Применение механотронов.

5.2.9. Фотоэлектрические преобразователи

Физические основы фотоэлектрических преобразователей. Приемники излу-

чения с внешним и внутренним фотоэффектом. Анализаторы фотоэлектриче-

ских преобразователей.

Детекторы. Преобразователи считывания. Компенсационные преобразовате-

ли. Фотоэлектрические микроскопы. Фазовые преобразователи. Оптико-

электронные первичные преобразователи.

5.2.10. Телевизионные первичные преобразователи

Основные характеристики телевизионных методов контроля. Область при-

менения телевизионных средств контроля.

6.0. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНОЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (20 ЧАСОВ)

1.	Введение. Физические величины и контролируемые параметры. Общие ха-
рактеристики измерительных первичных преобразователей.		4часа
2.	Преобразователи механического сигнала	2	»
3.	Электроконтактные, резистивные и тензометрические первичные преобразо-
ватели		2 »
4.	Пьезоэлектрические преобразователи	4	»
5.	Фотоэлектрические преобразователи	2	»
	6

6. Электромагнитные преобразователи	4 »
7 Термоэлектрические преобразователи	2 »

6.1. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (4 ЧАСА)

Нахождение функций преобразования и расчет чувствительности к измеря-

емым физическим величинам первичных преобразователей различного типа.

	6.2. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (8 часов)
1.	Исследование преобразователей механического сигнала	2 часа
2.	Исследование фотоэлектрического первичного преобразователя	2 »
3.	Исследование пьезоэлектрического первичного преобразователя	2 »
4.	Исследование термоэлектрического первичного преобразователя
	(болометра)	2 »

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основной:

1.Поляков, В.Е. Первичные преобразователи: учебное пособие, часть 1./ В.Е.

Поляков. Спб: Изд-во СЗТУ, 2007.-234с.

2.Поляков В.Е. Первичные преобразователи: учебное пособие, часть 2/ В. Е.

Поляков Спб: Изд-во СЗТУ, 2008-263 с.

3.Проектирование датчиков для измерения механических величин/Под ред.

Е.П. Осадчего. – М.: Машиностроение, 1979.

4.Поляков В.Е., Потапов А.И., Сборовский А.К. Ультразвуковой контроль ка-

чества конструкций. – Л.: Судостроение, 1978.

Дополнительный:

1.Чепульский, Ю.П. «Первичные преобразователи механических величин»:

учебное пособие.- М.: МИНТ, 2007-108 с.

2.Проектирование приборов и систем измерительно-вычислительных ком-

плексов: конспект лекций для студентов специальности 20010365/сост.

В.Н. Шивринский.- Ульяновск: УлГТУ, 2009-116 с.

7

3.Методы и приборы ультразвуковых исследований. ЧА, т. 1. Физическая акустика/Под ред. У. Мэзона. – М.: Мир, 1966.

4.Бридли К. Измерительные преобразователи. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

5.Поляков В.Е., Потапов А.И. Первичные пьезоэлектрические преобразова-

тели. – СПб.: СЗТУ, 1993.

6.Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1970.

7.Федотов А.И. Измерительные устройства систем управления технологи-

ческим оборудованием. – Л.: СЗПИ, 1974.

8.Телевидение /Под ред. П.В. Шмакова. – М.: Связь, 1970.

9.Ельяшкевич С.А. Телевизионные приемники. – М.: Связь, 1978.

10.Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение. – СПб.: Гуманисти-

ка, 2004.

11. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. – М.: Мир, 1972.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ «ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ»

В процессе изучения дисциплины «Первичные преобразователи» студент выполняет одну курсовую работу, состоящую из пяти задач, а также четыре ла-

бораторные работы. По окончании изучения дисциплины студент сдает зачет по материалам лабораторных работ и экзамен по теоретической части курса.

3.1. ВВЕДЕНИЕ

[4], с. 3…27 или [1] ,[5], [6]

Проблемы создания первичных преобразователей приобретают особую ак-

туальность в связи с широким размахом научных исследований и растущими потребностями материального производства, внедрением автоматизированных систем управления в различные отрасли техники.

Студенту необходимо изучить классификацию преобразователей, усвоить определение понятия «первичные преобразователь», характеристики эксплуа-

8

тационных условий преобразователей и методы их описания. Следует также ознакомится с ролью советских ученых в развитии основных положений со-

временной теории измерительных устройств и перспективами развития этой отрасли.

Вопросы для самопроверки

1.Что подразумевается под понятием «первичные преобразователь»?

2.Какие типы преобразователей получили наибольшее распространение в из-

мерительной технике?

3.В чем проявляется скачкообразный характер развития контрольно-

измерительных преобразователей?

3.2.ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ

[4], с. 7…11 или [1]

Этот раздел содержит в основном справочный материал. Студент должен усвоить такие понятия, как «физическая величина», «контролитруемый пара-

метр», «входной сигнал», «методы преобразования физических величин».

Необходимо изучить механические, электрические, электромагнитные, пьезо-

электрические и оптические величины и физические принципы их преобразо-

вания. Для преобразования величин в удобную для передачи и восприятия форму необходимо изучить различные физические явления: тензорезистивный,

пьезоэлектрический эффекты, эффект изменения электрической емкости, эф-

фекты, основанные на электромагнитных явлениях, эффекты изменения часто-

ты и наведения электрического заряда.

Среди других явлений, используемых для преобразования физических вели-

чин, нужно изучить также электронную и фотоэлектронную эмиссию, эффект Холла и ядерный магнитный резонанс.

Вопросы для самопроверки

1.Сформулировать определения «физической величины» и «контролируемого параметра».

2.Указать методы преобразования физических величин.

9

3.Что такое механический сигнал? Каким образом производится измерение параметров механического сигнала?

4.Какие типы физических величин вам известны?

5.Перечислите известные вам физические явления, получившие наибольшее распространение при создании первичных преобразователей.

3.3. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

[4], с 28…68 или [3], [5], [8] ,[9]

Для более глубокого усвоения данной темы студент должен изучить харак-

теристики эксплуатационных условий преобразователей и методы их описания.

Так, изучив классификацию измерительных преобразователей (генераторных и параметрических), студент должен уметь определять функцию преобразования,

чувствительность и порог чувствительности, линейность, гистерезис, последей-

ствие и диапазон измерений.

Анализ функции преобразования является общим для любых преобразовате-

лей и измерительных цепей и может использоваться как для анализа характери-

стик и параметров преобразователей, так и для научно обоснованного синтеза структурных схем измерительных устройств.

Вопросы для самопроверки

1.Начертите структурные схемы тензорезисторного преобразователя усилий,

индуктивного преобразователя усилий.

2.Покажите структурную схему прямого преобразователя.

3.Покажите структурную схему параметрических преобразователей.

4.Укажите общие приемы анализа функции преобразования измерительных устройств.

10