Такой преобразователь состоит из пористой перегородки, которая выполнена из стекла или фарфора, а по её сторонам располагаются электроды в виде металлических сеток, прижатых к перегородке уплотняющими кольцами. Сам преобразователь снабжён мембранами, одна из которых связана с объектом возбуждения вибрации. При воздействии вибрации на мембрану через пористую перегородку будет просачиваться полярная жидкость, направление движения которой будет меняться в соответствии с приложенными вибрациями.

Контактные предельные преобразователи

Данный тип преобразователей предназначен для дискретной регистрации импульса сил инерции от линейного отрицательного ускорения, который действует при ударе на объект.

Преимуществами контактных предельных преобразователей являются:

a) Исключительная простота конструкции и надёжность работы;

b) Возможность установки в любом месте испытуемого объекта;

c) Простота градуировки чувствительного элемента;

d) Возможность регистрации закона изменения ударной перегрузки во времени;

e) Простота съёма информации и обработки результатов измерения.

Чувствительным элементом такого преобразователя является крешерный столбик (рисунок 32). Ударное ускорение характеризуется смятием крешерного столбика ударником определённого веса в результате действия инерционных перегрузок при ударе объекта. Принцип работы заключается в том, чтобы, зная форму, физико-механические свойства и условия соударения тел, по величине смятия крешерного столбика аналитически рассчитать ударное ускорение.

В предельных преобразователях могут использоваться как стандартные крешерные столбики, так и столбики, изготовляемые из крешернойпроволоки. При нагружениикрешерного столбика необходимо учитывать его прочностные характеристики. Ударник должен иметь определённый вес, чтобы в процессе его соударения с крешерным столбиком последний не терял устойчивости упругого состояния.

Данный преобразователь имеет алюминиевый корпус, в котором находятся 19 отверстий ячеек для установки медных конических крешерных столбиков и инерционных ударников с пружинами. Крешерные столбики неподвижны, а ударники имеют возможность перемещаться вследствие различной длины ударников.

При установке крешерных столбиков измеряют фактическую высоту каждого из них и свободный ход ударников. После испытаний определяют максимальные деформации крешерных столбиков, начиная с ударника, не имеющего возможности перемещения. Все данные сводятся в таблицу для последующей расшифровки показаний преобразователя. На основании данных строят зависимость изменения максимальной деформации крешерных столбиков от перемещения ударника. Из полученного графика находят максимальные деформации, по которым определяют энергию, затрачиваемую на сжатие пружин в предельном преобразователе.

После этого определяют полную энергию, затрачиваемую ударником на деформацию крешерного столбика и сжатие пружины для каждого номера ударника. По полученным результатам находят основные характеристики измеряемого ударного процесса.

Подводя общий итог датчиков, основанных на динамическом принципе измерения, можно выделить их главный недостаток - контактное измерение параметров вибрации, что приводит к сложности установки датчика на объекте измерения, а также проведение измерений на объектах, имеющих неблагоприятные условия, например, относительно высокая температура. Всё это приводит к необходимости использования бесконтактных датчиков, которые используют кинематический принцип измерения.

2.2 Кинематический принцип измерения

Кинематический принцип измерения основан на измерении изменения во времени координат точек исследуемых объектов относительно вибрационной неподвижной системы координат и углов между осями неподвижной системы и системы, связанной с телом. Наличие этих параметров позволяет определить мгновенное положение тела точно независимо от того, мало или велико его перемещение в пространстве.

Приборы, основанные на кинематическом принципе, называются приборами (измерителями) относительной вибрации. Среди них выделяются магнитные, радиоволновые, оптические, электромагнитные, акустические, радиационные измерители. Среди перечисленных в вибродиагностике наибольшее применение получили оптические методы измерения. В свою очередь, оптические методы по способу выделения информации делятся на амплитудные и частотные. К амплитудным относятся фотоэлектрические и интерференционные методы измерения, к частотным - методы измерения, основанные на эффекте Доплера.

Фотоэлектрические методы

Основными представителями данного метода являются преобразователи дифракционных методов измерения и оптоэлектронные преобразователи.

Преобразователи, использующие дифракционные методы, включают в свой состав измерительное звено, которое состоит из элемента измерительного сопряжения и фотоприёмника. В качестве измерительного сопряжения используют измерительные растры, дифракционные измерительные решётки, штриховые меры, кодовые решётки, которые обычно имеют периодическую структуру.

Измерительные растры (рисунок 34) в оптических системах выполняют в виде решёток из линий или фигур, которые наносят на поверхность прозрачного или отражающего материала. Эти растры подразделяют на амплитудные и фазовые.



Рис. Измерительные растры:

Простейшее измерительное звено, работающее в проходящем свете и позволяющее измерять перемещение, состоит из двух амплитудных измерительных растров, которые располагают так, чтобы штрихи одного растра затеняли штрихи другого, а оба растра размещены в свою очередь между источником света и фотоприёмником (рисунок 35). Перемещение одного из растров приводит к изменению освещённости за растровым полем, что и регистрируется фотоприёмником.

Рис. Измерительное звено с дифракционными растрами в проходящем свете:

На рисунке (36) показано измерительное звено с растром в отражённом свете. При перемещении измерительного растра его изображение перемещается в плоскости индикаторного растра. Фотоприёмник регистрирует световой поток, который пропорционален перемещению измерительного растра. Чтобы получить информацию о направлении перемещения необходимо наличие двух или трёх сигналов от растрового звена, которые сдвинуты по фазе один относительно другого. Направление перемещения определяется по направлению вращения вектора суммы сигналов. виброметр колебание индукционный преобразователь

Рис. Измерительное звено с дифракционными растрами в отражённом свете:

Недостатком измерительных звеньев с дифракционными решётками является малый диапазон измерений, определяемый длиной дифракционной решётки.

Одним из универсальных элементов, который способен осуществлять преобразование различных физических величин, являются оптоэлектронные преобразователи. Принцип действия такихпреобразователей заключается в том, что измеряемая величина, воздействуя на оптический канал, изменяет параметр излучаемого потока, который распространяется от источника к приёмнику.

Оптический канал чаще всего выполняется в виде двух световодов и промежутка между ними. Поток излучений от источника попадает в передающий световод, на выходе которого в зоне измерения формируется поток излучений, затем часть потока попадает на вход приёмного световода, выводится из зоны измерения к фотоприёмнику (фотодиоду) и преобразуется в пропорциональный электрический сигнал.

Физическую основу работу оптоэлектронных преобразователей составляет изменение интенсивности излучения, под действием измеряемого параметра, проходящего с выхода передающего световода на вход принимающего.

Среди основных преимуществ такого преобразователя выделяется слабая зависимость результатов измерения от температуры, электромагнитных полей большой интенсивности и вибраций в зоне измерений, стойкость к агрессивным средам и химическая инертность, высокая локальность измерений и, как уже было выше сказано, бесконтактный способ получения информации.

Существует два типа волоконно-оптических преобразователя: рефлектометрическийи проходящий.

Для первого типа как раз характерно отсутствие контакта с объектом измерения. В нём поток излучения с выхода передающего световода направляется на отражающую поверхность объекта и часть отражённого потока попадает на входной торец приёмного световода. В этом случае выходной сигнал волоконно-оптического преобразователя будет зависеть от расположения световодов относительно объекта.

Рассмотрим несколько случаев (рисунок 37). В начале торец световода контактирует с отражающей поверхностью, в этом случае поток к фотоприёмнику практически не доходит. Дальше будем увеличивать расстояние, тогда поток излучения будет падать на большую площадь отражающей поверхности объекта, и она станет вторичным “источником” излучения, который попадёт на приёмный световод. При дальнейшем увеличении будет достигнут максимум, при котором на приёмный световод будет попадать максимальный поток излучения. А затем, если продолжать увеличивать расстояние, будут преобладать потери за счёт выхода отражённого потока за пределы торца приёмного световода.

Рис. Формирование функции преобразования рефлектрометрического ВОП аксиальных перемещений:

z0 - центр участка наибольшей крутизны, zm - точка максимума.

Во втором типе волоконно-оптического преобразователя поток излучения, выходящий с торца передающего световода, направляется на торец приёмного световода и модуляция может осуществляться в двух случаях: изменением взаимного расположения торцов световодов под действием физический величины или изменением условий распространения потока между неподвижными каналами.

Работу такого преобразователя можно показать на примере ортогонального перемещения торцов световода (рисунок 38). Если торцы параллельны и оси совпадают, то поток будет максимальным, при ортогональном перемещении начинается выход лучей и всё меньший поток попадает на входной торец приёмного световода пока он и вовсе не станет равен нулю.

Таким образом использование волоконно-оптических преобразователей рефлектометрического типа является более подходящим, так как является более простым при анализе функции преобразования и практической реализации.

По способу получения измерительной информации рефлектометрические ВОП подразделяются на следующие группы (рисунок 39): модуляция потока при аксиальном движении отражающей поверхности, модуляция потока при угловых перемещениях плоской отражающей поверхности, модуляция потока за счёт изменения формы отражающей поверхности, модуляция потока за счёт ортогонального перемещения границ поверхностей с различными отражающими свойствами, модуляция потока при изменении поглощающих и рассеивающих свойств неподвижных поверхностей.

Рис. Способы получения измерительной информации с помощью ВОП.

Среди вышеперечисленных способов самым применяемым является модуляция потока при аксиальном движении отражающей поверхности, реализованный в бесконтактных преобразователях перемещений, толщины и расстояний.

Интерференционные методы

Обширную группу виброметров составляют интерференционные измерители, действие которых основано на явлении интерференции. Интерференцией волн называют такое их взаимодействие, когда происходит перераспределение суммарной энергии волн в пространстве и образование максимумом и минимумов объёмной плотности энергии излучения.

Рассмотрим данные методы на примере лазерных интерференционных виброметров. Они подразделяются на амплитудные, голографические и спекл-интерферометрические. Действие данных виброметров основано на получении информации, которая содержится в фазе световой волны, отражённой от вибрирующей поверхности.

В то же время, по виду получаемой информации лазерные интерференционные виброметры делятся на локальные и интегральные. В первом случае виброметры дают информацию о параметрах вибрации отдельных точек поверхности исследуемого объекта, во втором - о распределении параметров вибрации по поверхности объекта.

Прежде чем переходить непосредственно к работе виброметров, разберём особенности оптической интерферометрии. Известно, что характерное время реакции всех используемых приёмников оптического излучения значительно превышает период световой волны. В связи с этим, фотоприёмники регистрируют только один компонент светового сигнала - его интенсивность I, который определяется из формулы (17):

где Е - амплитуда волны, а ц - её фаза.

Может показаться, что информация о фазе световой волны бесследно теряется, но существуют приборы, которые решают эту проблему. Эти приборы (интерферометры) реализуют когерентный приём оптического сигнала с помощью опорной волны. В них информация об исследуемом объекте или процессе регистрируется за счёт точной фиксации именно фазы световой волны. В области интерференции предметной и опорной волн суммарная амплитуда равна (формула 18):



а интенсивность (формула 19):

Для примера рассмотрим схему получения интерферограммыоптически прозрачного объекта.

Луч лазера 1 с помощью полупрозрачного зеркала 2 разделяется на составляющие. Коллиматоры 4 и 5 формируют соответственно опорный и предметные пучки с плоским волновым фронтом.

В различных точках поверхности, где наблюдается интерференция, разность фаз волн ц1- ц0 меняется из-за оптической задержки предметной волны в различных участках просвечиваемого объекта.

В соответствии с изменением разности фаз, распределение интенсивности в плоскости интерферограммымодулируется по гармоническому закону. Отсюда следует, что фазовые сдвиги, которые вносятся объектом, кодируются на интерферограмме в виде числа и местоположения интерференционных полос.

Также из формулы видно, что поглощающие свойства объекта влияют как на амплитуду светового поля предметной волны Е1, так и на контраст интерференционной картины м (формула 20):

Из формулы видно, что контраст будет максимален при Е1> Е0, а при других вариантах величина м падает. Отсюда следует, что информация об оптической плотности объекта кодируется в виде контраста интерферограммы, а форма интерференционных полос содержит сведения о распределении фазовых задержек Дц (формула 21) по сечению пучка:

где n1 - коэффициент преломления, l-геометрическая толщина объекта вдоль каждого из лучей, проходящего через него.

Недостатком этого метода является узкий класс объектов, используемых для изучения. Например, объекты, содержащие светорассеивающие объёмы и поверхности будут непригодны. Это связано с трудностями, возникающими при интерференционном сравнении опорных волновых фронтов, имеющих обычно простую конфигурацию, со статически флуктуирующим полем, несущим информацию о светорассеивающем объекте.

Далее в качестве конкретного примера рассмотрим интерференционный виброметр на основе счёта полос.

Интерференционный виброметр на основе счёта полос относится к типу амплитудных. Виброметры такого типа строятся с неразведённым пучком излучения и имеют в оптической схеме дополнительное малоразмерное зеркало, которое закрепляется на поверхности исследуемого объекта.

Наибольшее распространение получили виброметры, включающие в свой состав интерферометр Майкельсона и блок счёта интерференционных полос.

Структурная схема такого виброметра представлена на рисунке.

Он позволяет определять амплитуду виброперемещения методом счёта полос за целое число периодов колебаний виброустановки. Для осуществления счёта интерференционных полос сигнал с выхода фотоприёмника после катодного повторителя поступает на вход электронного импульсного счётчика, который работает в режиме пуска и остановки счёта внешними импульсами. Сигналы пуска и остановки подаются на синхронизирующее устройство, которое запускается от прямоугольных импульсов, период которых равен периоду колебания вибратора. В результате сигнал поступает на счётчик числа периодов.

Саму амплитуду перемещения А определяют по числу интерференционных полос из соотношения (22):

где n - число периодов колебаний, N-число полос, отсчитанное за все периоды колебаний.

Для измерения виброскорости методом счёта периодов колебаний nсигнал на выходе фотоприёмника фиксируется счётчиком периода колебаний пропорционально средней вибрационной скорости. Фиксация производиться в течение периода времени, который определяется частотой вибрации зеркала 4. В итоге средняя скорость вибрации зеркала 4 определяется по формуле (23):

где T - период вибрации.

Методы, основанные на эффекте Доплера

Доплеровские датчики вибрации наиболее полно реализуют идею бесконтактных измерений. Так как доплеровский сдвиг частоты излучения, рассеянного на движущихся частицах или поверхностях, относится к числу давно известных и хорошо изученных явлений. Однако раньше из-за спектрометрических трудностей можно было измерять лишь сравнительно большие скорости. Решить эту проблему позволило использование лазерных источников излучения.

Лазерное излучение имеет лучшие характеристики в отношении расходимости и интенсивности пучка, так как обладает высокой монохроматичностью. В этом заключается его преимущество в отношении других источников излучения.

К достоинствам самих доплеровских датчиков относятся:

a) локальность измерений;

b) возможность проведения измерений в процессе сканирования пучка по всей поверхности объекта;

c) возможность измерения параметров механических колебаний объектов сложной формы, расположенных на значительном расстоянии от измерительной системы;

d) высокая помехозащищённость и высокое отношение сигнал/шум.

Основные факторы, которые ограничивают широкое использование доплеровских датчиков является глубокие физико-математические основы метода, а также сложность и высокая цена приборного обеспечения.

Тем не менее, применение лазерных доплеровских источников излучения постепенно расширяется.

Доплеровские измерительные системы используют для анализа движения исследуемого объекта изменение частоты рассеянного излучения. Рассмотрим для примера лазерный доплеровский измеритель скорости движения.

Излучения лазера с частотой v0 и волновым вектором фокусируется линзой 3 на диффузной поверхности, движущейся со скоростью , в пятно диаметром d. Рассеянный свет с частотой vsи волновым вектором собирается линзой 5 с апертурной диафрагмой и фокусируется на приёмной площадке фотоприёмника. Часть исходного лазерного излучения светоделителем направляется на зеркало и, отразившись от него с помощью полупрозрачного зеркала, смешивается со светом, рассеянным поверхностью.

Выражение для доплеровского смещения частоты Дvв первом приближении может быть представлено как (формула 24):

где =-- вектор чувствительности датчика.

В соответствии с этой формулой величина доплеровского смещения частоты прямо зависит от величины проекции скорости движения точки поверхности на вектор чувствительности измерителя.

С учётом того, что вектор чувствительности по модулю ,где л - длина волны излучения лазера, выражение можно представить в виде (формула 25):

где с - скорость света, б - угол между волновыми векторами освещения и наблюдения исследуемой точки поверхности, в - угол между вектором чувствительности датчика и вектором скорости движения точки поверхности исследуемого объекта. Из этой формулы видно, что переменная составляющая доплеровского смещения частоты определяется скоростью перемещения объекта.

Сама переменная составляющая доплеровского смещения частоты определяется из формулы (26) фототока:

где y - коэффициент, учитывающий общее уменьшение интенсивности взаимодействующих излучений за счёт расходимости, неидеальной когерентности, децентровки оптики и оптических потерь, Дl-разность хода опорного и объективного излучения до плоскости детектирования.

2.3 Обоснование выбора метода измерения параметров вибрации

В данном разделе были рассмотрены основные методы, позволяющие проводить измерение параметров вибрации. Как было уже выше сказано, все методы можно разбить на две обширные группы: динамические и кинематические.

Динамические методы измерения при всех своих преимуществах не способны обеспечить бесконтактное измерение параметров вибрации, так как датчики, реализующие эти методы, включают в свой состав инерционный элемент, который сочленяется с объектом измерения.

Рассматривая интерференционные и доплеровские методы, необходимо отметить, что данные методы имеют сложности при реализации, так как они содержат глубокие физико-математические основы. А в случае с доплеровскими датчиками ещё возникают проблемы с высокой стоимостью оборудования.

В связи со всем выше сказанным следует, что самыми практичными являются фотоэлектрические методы. Так как датчики, в которых реализованы эти методы, достаточно просты в реализации, а также не критичны к источникам излучения.

В данной работе будет использован фотоэлектрический датчик рефлектометрического типа, для которого наиболее характерно отсутствие контакта с объектом измерения или вспомогательным измерительным звеном, а также способного измерять такие параметры вибрации, как виброперемещение, виброскорость и виброускорение.



3. Разработка структурной схемы и алгоритма работы измерителя вибрации

3.1 Структура датчика

Как было сказано ранее для бесконтактного измерения вибрации будет использован фотоэлектрический датчик рефлектометрического типа. Возможность измерения параметров вибрации этим методом связана с разработкой соответствующей измерительной аппаратурой. Но прежде чем переходить к непосредственной разработке устройства, необходимо определить структурную схему будущего датчика.

Элементами структуры датчика являются:

a) источник излучения, который осуществляет освещение объекта измерения. Каждый источник излучения характеризуется интенсивностью света, которая под действием параметра вибрации изменяется и регистрируется фотоприёмником;

b) фотоприёмник, предназначенный для преобразования светового излучения в электрические сигналы;

c) блок обработки, представляющий собой комплекс устройств, в котором происходят необходимые электрические преобразования, математические расчёты и вывод на индикатор.

Структурная схема фотоэлектрического датчика рефлектометрического типа представлена на рисунке (43).

На этой схеме видно, что поток излучения от источника попадает на вибрирующий объект; свет, отражаясь от поверхности объекта попадает на фотоприёмник, который преобразует его в электрический сигнал (фототок). Этот сигнал затем направляется в блок обработки, где по заданному алгоритму преобразуется в необходимый параметр. В результате значение этого параметра направляется пользователю, где оно может быть выведено или на специальном дисплее, или в окне разработанного приложения.

3.2 Алгоритм работы

В этом подразделе будет описан алгоритм работы датчика, который реализуется в блоке обработки.

Для того, чтобы получить пиковое значение параметра вибрации необходимо найти его максимальное и минимальное значение. Для более простого расчёта значения с АЦП сначала записываются в ячейки резидентной памяти микроконтроллера 8051, имеющей адреса со 128 до 256. Так как одно значение с АЦП храниться в двух байтах, максимально возможно хранить 64 значения.

Также возникает необходимость получать значение частоты вибрации. Для этого все значения записываются через программно-регулируемый промежуток времени, например, с помощью таймера. Далее с помощью простых арифметических вычислений находится максимальное и минимально значение, а также и амплитуда вибрации, которая пропорциональна пиковому значению виброперемещения. Дальше, используя дифференциаторы, мы получаем пиковое значение виброскорости и виброускорения. После этого, зная количество минимумов и промежутков времени между их появлениями, легко получается период, а значит и частота вибрации. Блок схема алгоритма представлена в Приложении 1.



4. Разработка электрической принципиальной схемы

4.1 Требования к аналоговой части

Важным элементов датчика является фотоприёмник. Основными типами фотоприёмников, применяемых в оптоэлектронных системах, являются фотоумножители, фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы.

Фотоумножители не используются в современных системах в виду больших габаритов, сложности источника питания и высокой цены. Фоторезисторы имеют большую постоянную времени, что также делает их мало пригодными. Поэтому в основном применяются фотодиоды и фототранзисторы, но в свою очередь фотодиоды имеют меньшие габариты и массу, низкое напряжение питания, малый потребляемый ток и длительный срок работы на отказ. Поэтому в данной работе в качестве фотоприёмника использовался фотодиод.

Среди параметров фотодиодов основными являются чувствительность, быстродействие и уровень шума. Чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, которая снимается на выходе фотоприемника, к световому потоку или потоку излучения, вызвавшему его. Находится она из следующей формулы (27):

Помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром. Он называется шумом фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Уровень шума складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума. Шумы отрицательно влияют на получаемый сигнал, поэтому существуют несколько методов, как их избежать, к таковым относятся экранирование и фильтрация.

Не менее важным параметром является быстродействие фотодиода, которое зависит от времени нарастания фототока при воздействии на фотодиод импульса оптической мощности. Также увеличить быстродействие можно путём уменьшения толщины слоя для электрического тока с сохранением толщины для светового потока. Этот способ реализуется в самой конструкции фотодиода.

4.2 Требования к АЦП

Наиболее важным узлом любого цифрового средства измерения является аналого-цифровой преобразователь, так как именно он определяет основные метрологические характеристики всего прибора. По этой причине к его основным характеристикам предъявляются определённые требования, такими характеристиками являются разрядность, быстродействие и интерфейс связи с вычислительным модулем.

Разрядность характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП разрядность измеряется в битах. Данная характеристика напрямую связана с диапазоном напряжений, которые АЦП может преобразовывать. Так, например, при разрядности 10 бит, максимальное напряжение будет равно 1,023 В. При увеличении разрядности, будет увеличиваться диапазон напряжений, с которым сможет работать АЦП. Современные преобразователи имеют разрядность от 10 до 24 бит.

Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования, то есть интервалом времени от момента изменения сигнала на входе до появления на выходе установившегося кода. По определению АЦП преобразовывает непрерывный во времени аналоговый сигнал в последовательность цифровых значений, и происходит это с некоторой частотой, которая называется частотой дискретизации. Таким образом, значение сигнала измеряются через определённый интервал времени - период дискретизации. Чем меньше это значение, тем выше быстродействие АЦП.

Важную часть АЦП составляют цифровые интерфейсы, которые обеспечивают связь АЦП с вычислительным модулем. Структура интерфейса определяет способ подключения преобразователя к микроконтроллеру, а также может влиять на уровень частоты преобразования АЦП. Существует несколько интерфейсов используемых в АЦП, основными из них являются SPI и I2C.

SPI является синхронным последовательным интерфейсом, который предназначен для высокоскоростного сопряжения микроконтроллеров и периферии. Данный интерфейс относится к широко используемым интерфейсам для соединения микросхем. Работать данный интерфейс может в режиме masterили slave(ведущий и подчинённый), в качестве ведущего обычно выступает микроконтроллер, а в качестве подчинённого могут выступать запоминающие устройства, часы реального времени, АЦП/ЦАП и т.д.

Так как SPI является синхронным интерфейсом, любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, который генерирует ведущее устройство. Принимающая периферия синхронизирует получение битовой последовательности с тактовым сигналом. В одно и тоже время возможно подключение нескольких подчинённых устройств. Ведущее устройство выбирает с кем начать передачу данных, активируя сигнал CS (chipselect).

К преимуществам интерфейса относится предельная простота протокола передачи на физическом уровне, что обуславливает высокую надёжность и быстродействие передачи; однонаправленность шин, что упрощает решение задачи преобразования уровней и гальванической изоляции микросхем; простота программной реализации протокола SPI.

Другим используемым АЦП интерфейсом является I2C. Он представляет собой синхронную последовательную шину, которая обеспечивает двустороннюю передачу данных между подключёнными устройствами, используя две сигнальных линии (SDAи SCL). Передача может быть, как одноадресной для одного выбранного устройства, так и широковещательной. В обмене данными учувствуют два устройства - ведущее и ведомое. Однако допускается наличие нескольких ведущих или ведомых устройств.

Преимуществом I2C является то, что она остаётся двухпроводной независимо от количества подключённых к ней устройств, также данный интерфейс является более стандартизированным, поэтому избегается проблема несовместимости.

4.3 Выбор АЦП

В процессе разработки бесконтактного измерителя вибрации использовалась универсальная плата UNI-DS3, которая имеет в своём составе 12-битный аналого-цифровой преобразователь MCP 3204 с интерфейсом SPI.Прежде чем переходить к его использованию, нужно было убедиться, что он позволит преобразовывать сигнал с частотой 1000 Гц , не превышая погрешность в 20%.

Для начала проверим сколько можно сделать отсчётов, используя данный тип АЦП. Частота колебания 1кГц соответствует периоду колебания в 1мс.

Согласно временной диаграмме, представленной на рисунке (44) видно, что для обработки одного значения необходимо 40 тактов, каждый из которых занимает время tsucs= 100 нс. В результате получается, что для того, чтобы АЦП обработал одно значение необходимо 4 мкс, то есть за 1 мс возможно обработать 250 значений.

Теперь перейдём к расчёту погрешности. Получаемый сигнал в идеале по своей форме будет представлять синусоиду. Максимальная погрешность будет достигаться в той точке, где функция максимально нарастает. Известно, что функция нарастает быстрее в той точке, где производная принимает максимальное значение.

Рис.44. Временная диаграмма MCP 3204.

Погрешность находится из следующего соотношения:

где х - искомая погрешность.

Синусоиду можно представить в следующем виде (формула 29):

Для простоты будем считать, что U0=1, тогда производная будет выглядеть следующим образом (формула 30):

где щ = 2*р*f, в результате производная будет иметь следующий вид (формула 31):

Косинус максимален при нуле, отсюда следует, что U'max=6283, исходя из суждений, представленных выше, ДU=U'max.

Исходя из того, что на обработку одного значения необходимо 4 мкс, итоговая погрешность находиться по следующей формуле (32):

Данное значение удовлетворяет нашему условию.

4.4 Описание схемы преобразователя

Разработанная схема преобразователя представлена на рисунке (45).

Рис. Схема преобразователя

Фототок, снимаемый с фотодиода LED1, поступает на операционный усилитель OP1. Он представляет собой инвертирующий усилитель с обратной связью. В тоже время OP1 является преобразователем тока в напряжение.Как известно из теории операционных усилителей, оба входа операционного усилителя не потребляют тока, поэтому фоток проходит по обратной связи и по закону Ома (U=I*R) на выходе получается напряжение. Каскад, куда входят OP1, R1 и C1 представляет собой фильтр нижних частот.

Для того, чтобы усилить полученное напряжение, используется второй каскад. Он также представляет собой инвертирующий усилитель с обратной связью и фильтр нижних частот. Коэффициент усиления находится по формуле UВых/UВх=R5/R2. Далее усиленное напряжение подаётся на вход АЦП.

На рисунке (45) проиллюстрирована только схема преобразования напряжения в виброперемещение. Полная схема устройства представлена в Приложении 2 и Приложении 3.



5. Разработка программного обеспечения

На основании разработанного алгоритма и принципиальной электрической схемы, была написана программа на языке assembler. Был выбран именно этот язык, так как он позволяет написать любую программу для процессора, которая будет весьма компактна, а также возможен непосредственный доступ к аппаратуре, и, в частности, портам ввода-вывода, регистрам процессора и др.

В качестве среды разработки использовалась программа multiRSCс программатором 8051 flashprogrammer, имеющаяся в учебной лаборатории интеллектуальных систем управления и робототехники МИЭМ.

Согласно разработанному алгоритму, сигнал получаемый с фотодиода необходимо преобразовать в цифровую форму, затем совершить преобразование полученного значения и в конце вывести на LCD.

Приём данных происходит через интерфейс SPI, который предназначен для высокоскоростного сопряжения микроконтроллеров и периферии. Данный интерфейс является синхронным, так как любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, который генерирует ведущее устройство.

Для начала работы интерфейса SPI необходимо произвести его инициализацию, то есть установить значение для регистра управления и регистра статуса, SPCRи SPSRсоответственно.

Рис. Процедура инициализации SPI.

После этого можно начать получать информацию с АЦП. Происходит это в процедуре getVal (рисунок 47). Для начала необходимо сбросить бит CSв нуль, это позволяет начать получение значения, которое храниться в регистре данных SPDR. Запись числа происходит в 2 этапа, сначала записывается левая часть четырёхзначного числа в переменную N1H, затем правая часть в переменную N1L.

Для корректной работы необходимо ждать пока закончиться обмен последовательными данными, это обеспечивается битом SPIFрегистра статуса SPSR (необходимо что бы данный бит установился в единицу). Данная задержка содержится в процедуре ep, ep1 и ep2.

Рис. Процедура получения информации с АЦП.

После этого необходимо разбить число на цифры, чтобы была возможность вывести значение на дисплей. Это происходит в процедуре outVal.

В данной процедуре число разбивается на тысячи, сотки, десятки и единицы. В процедуре OBR происходит вывод числа на дисплей.

В качестве примера продемонстрируем подсчёт количества тысяч исходного числа.



Рис. Процедура подсчёта количества тысяч.

Остальные процедуры подсчёта являются аналогичными данной.

После пересчёта числа его необходимо вывести на жидкокристаллический дисплей. Происходит это в процедуре в SETCOMM (рисунок 50). Данный дисплей работает в 4-х битном режиме, поэтому необходимо разбивать символ на 2 части и записывать его по 4 бита за раз.



6. Разработка программы и методики оценки метрологических и эксплуатационных характеристик

Для оценки метрологических и эксплуатационных характеристик использовался динамик компьютерной колонки “Creative”. Применялся кинематический метод измерения: разработанное устройство соединялось с динамиком, как показано на рисунке (51). В качестве источника задающего сигнала использовался генератор Velleman.

Рис. Схема соединения виброметра с динамиком:

Так как рассчитать вибрацию динамика невозможно, вследствие сложности его конструкции, для калибровки по частоте использовался образцовый виброметр Вибротест-МГ 4.01.

С помощью него были сняты значения виброперемещения с динамика на диапазоне частот, указанном в ТЗ. После этого были получены зависимости виброперемещения от напряжения на различных частотах, и уже с помощью этих значений была откалибрована схема разработанного виброметра.

В результате после проведения лабораторных измерений разработанным виброметром было установлено, что расхождение значений с Вибротестом-МГ 4.01 не превышает 15%, что удовлетворяет нашим требованиям.



Заключение

Результатом работы является разработанный виброметр, позволяющий измерять гармоническую вибрацию на частотах от 10 до 1000Гц с погрешностью не более 15%.

Данное устройство имеет более простую как техническую составляющую, так и программную, по сравнению со своими аналогами.

Разработанный виброметр может использоваться для бесконтактного измерения аксиальных вибрации различных объектов, для которых контактное измерение вибрации может быть невозможным, ввиду неблагоприятных условий поверхности объекта.

Дальнейшая работа в этой области предполагает расширение функционала устройства, а именно хранение полученных значений параметров вибрации для дальнейшего применения при решении тех или иных задач, а также доработка алгоритма для возможности измерения нескольких гармоник сигнала.



Список литературы

1. ГОСТ ИСО 10816-1-97. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть I. Общие требования. - Введ. 1999-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 17с.

2. ГОСТ 30296-95 Аппаратура общего назначения для определения основных параметров вибрационных процессов. Общие технические требования. - Введ. 1997-01-01. - М.: Издательство стандартов 1996. - 20c.

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1. Издание 3-е, стереотипное. - М.: Издательство “Мир”1960. - 600c.

4. Иориш Ю.И. Виброметрия. Измерение вибрации и ударов. Общая теория, методы и приборы. Издание 2-е, переработанное, дополненное. - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. 1963. - 773с.

5. Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 128с.

6. Журавлев О.А., Шапошников Ю.Н., Ивченко А.В. Лазерная виброметрия. - Самара: Издательство СГАУ, 2006. - 72с.

7. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник. В 2-х кн. Кн. 1/Под ред. В. В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1978. - 448 с., ил.



Приложение



Размещено на Allbest.ru