К выполнению лабораторной работы
Методические указания
К выполнению лабораторной работы
Автоматизированная установка для измерения
параметров пьезоэлектрических преобразователей
по курсу
АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
для студентов очной, очно-заочной и вечерней
форм обучения
по специальностям:
200102 – Приборы и методы контроля качества и
диагностики;
200105 – Акустические приборы и системы;
180301 – Морская акустика и гидрофизика
Таганрог 2011
Авторы: Т.Н. Куценко – к.т.н., доцент кафедры ЭГА и МТ;
С.С. Снесарев – ст. препод. кафедры ЭГА и МТ;
Г.В. Солдатов – аспирант ЭГА и МТ
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Акустические измерения» на тему: «Автоматизированная установка для измерения параметров пьезоэлектрических преобразователей» для студентов очной, очной заочной и вечерней форм обучения для специальностей: 200102 – Приборы и методы контроля качества и диагностики; 200105 – Акустические приборы и системы; 180301 – Морская акустика и гидрофизика. Таганрог. 2011. - 33с.
Табл. 16. Ил.19. Библиогр.: 6 назв.
Рецензент: В.Ю.Дорошенко, к.т.н., доцент
1. Цель работы
1.1.Изучить принцип работы «Автоматизированной установки для измерения параметров пьезоэлектрических преобразователей» с применением цифровых измерительных приборов, АЦП и ЭВМ.
1.2.Научиться измерятьосновные характеристики пьезоэлектрических преобразователей и оценивать погрешности измерений на автоматизированной установке.
Теоретические сведения
Назначения и область применения измерительных установок в акустических измерениях
При промышленном выпуске гидроакустических антенн, эхолотов, гидролокаторов бокового обзора, профилографов, а также головок дефектоскопов, различных излучателей, работающих в воздухе и других средах, технические характеристики и параметры пьезоэлектрических преобразователей обеспечиваются контролем их основных электроакустических параметров, от которых в первую очередь зависят характеристики всего изделия. Такой контроль проводится как в процессе производства акустических систем (пьезокерамики, блоков, антенн, преобразователей и др.), так и в процессе их эксплуатации и является довольно трудоемкой и дорогой технологической операцией.
Основными электроакустическими параметрами, определяющими эксплуатационные характеристики пьезоэлектрических преобразователей являются: частоты резонанса и антирезонанса, полоса пропускания, добавочные резонансы, активная составляющая полного электрического сопротивления, частотная зависимость модуля полного (комплексного) сопротивления от частоты.
Периферийный интерфейс USB
USB (Universal Serial Bus) — универсальная последовательная шина. Как и многие современные интерфейсы, он разработан для применения в персональных компьютерах. Основной целью разработки была необходимость удовлетворить потребность в оперативном подключении периферийных устройств к переносным и в меньшей мере к настольным компьютерам. В стандарте на интерфейс USB заложено множество удобных для пользователя функций:
· «горячее» подключение и отключение устройств;
· питание периферии от хост-компьютера или разветвителя через интерфейсный кабель;
· малогабаритные надёжные разъёмы;
· возможность реализации гальванической развязки;
· поддержка Plug-and-Play;
· высокая скорость обмена данными, особенно в версии спецификации USB 2.0.
USB шина имеет три режима передачи данных:
· Низкоскоростной (LS, Low-speed) 1,5 Мбит/с;
· Полноскоростной (FS, Full-speed) 12 Мбит/с;
· Высокоскоростной (HS, High-speed) 480 Мбит/с.
Стандарт USB определяет электрические и механические параметры среды передачи данных. Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырёхпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D— по двум перевитым проводникам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приёмники выдерживают входное напряжение в пределах — 0,5...+3,8 В.
Кроме дифференциального приёмника каждое устройство имеет линейные приёмники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса.
Интерфейс GPIB
Шина IEEE-488 или GPIB (General Purpose Interface Bus) и соответствующий протокол широко используются в программно-аппаратных комплексах для соединения персональных компьютеров и рабочих станций с измерительными инструментами (в частности, в системах сбора данных). Шина IEEE-488 хорошо стандартизована и протестирована, большинство производителей автоматизированных измерительных систем и инструментов встраивают в свои изделия интерфейсы GPIB в качестве основного канала передачи данных.
Шина состоит из 24 проводов. Все сигнальные линии используют отрицательную логику: наибольшее положительное напряжение интерпретируется как логический "0", а наибольшее отрицательное - как логическая "1". Конкретные значения напряжения определены стандартом IEEE-488.
Приборов
Принцип аналого-цифрового преобразования
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – это устройство, предназначенное для преобразования непрерывно-изменяющейся во времени физической величины в эквивалентные ей значения цифровых кодов. В качестве аналоговой величины может быть напряжение, ток, угловое перемещение, давление газа и т.д. Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает последовательное выполнение следующих операций:
— дискретизациию сигнала во времени, т.е. выборку значений исходной аналоговой величиныв некоторые заданные моменты времени;
— квантование (округление преобразуемой величины до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени значения аналоговой величины по уровню;
— кодирование – замена найденных квантовых значений некоторыми числовыми кодами.
Операция квантования по уровню функции U(t) заключается в замене бесконечного множества её значений на некоторое конечное множество значений U*n (t), называемых уровнями квантования. Для выполнения этой операции весь диапазон изменения функции D=U(t)max-U(t)min разбивают на некоторое число уровней N и производят округление каждого значения функции U(t) до ближайшего уровня квантования U*n(t). В результате процесса аналого-цифрового преобразования аналоговая функция U(t) заменяется дискретной функцией Un(t). В аналитической форме процесс аналого-цифрового преобразования может быть представлен выражением:  , где U(t)i - значение функции U(t) в i-м шаге, h - шаг квантования,  - погрешность преобразования на i-м шаге.  |
| Рисунок 2.2- Принцип аналого-цифрового преобразования |
Величина h=D/N носит название шага квантования.
Процесс квантования по уровню связан с внесением некоторой погрешностиei , значение которой определяется неравенством:
ei ≤ ±h/2.
Погрешность зависит от разрядности.
Основные параметры АЦПделятся на статистические и динамические.
К статистическим относятся:
— вид преобразуемой величины: напряжение, ток, угловое перемещение и т.д.,
— диапазон изменения входных величин,
— разрядность определяет максимальное число кодовых комбинаций на выходе АЦП (например, 8-разрядный АЦП имеет разрешение по амплитуде в 28=256 точек),
— абсолютная разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП (например, для 8-разрядного АЦП составляет 1/2N=1/256 или 0,39%),
— абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы dшк -
— нелинейность преобразования dL – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования от идеальной.
К динамическим параметрам относится частота дискретизации.
Алгоритм измерения фазы
Предлагаемый алгоритм измерения фазы основан на принципе синхронного фазового детектирования, при котором принятый сигнал перемножается с опорным (рис 3.2).
Рисунок 3.2 - Принцип синхронного фазового детектирования
Пусть имеются два гармонических сигнала единичной амплитуды и одинаковой частоты, не содержащие постоянной составляющей 
и 
, разность фаз между этими сигналами равна 
. Перемножим эти сигналы:
Полученное выражение представляет собой гармонический сигнал с частотой 
и постоянной составляющей 
. Выделив постоянную составляющую у полученного сигнала, можно получить разность фаз между исходными сигналами. Постоянная составляющая гармонического сигнала вычисляется путем его интегрирования и деления на длину интервала интегрирования. Постоянная составляющая определяется по формуле:
, следовательно, 
,
где T – время, на котором производится сравнение фаз сигналов, причем необходимо выполнение условия 
, так как в общем случае на время T «укладывается» нецелое число периодов гармонического сигнала.
В результате получим:
.
В предлагаемой установке используются аналогово-цифровые преобразователи и методы цифровой обработки сигналов. Здесь следует учитывать, что амплитуда сигналов, получаемых с АЦП, не равна единице и может иметь постоянную составляющую.
Для избавления от постоянной составляющей воспользуемся формулами
; 
,
где E – постоянная составляющая; N – количество отсчетов в выборке; 
– отсчеты входного сигнала; 
- отсчеты преобразованного сигнала без постоянной составляющей.
Для того, чтобы привести амплитуды полученных сигналов без постоянной составляющей к единице, воспользуемся формулой:
; 
,
где 
- вычисленное значение амплитуды сигнала; 
- значения отсчетов сигнала приведенного к единице. Здесь вычисляется действующее значение гармонического сигнала за время выборки длиной N, затем из него вычисляется амплитудное. После этого, путем деления каждого отсчета сигнала без постоянной составляющей на амплитудное значение, получаются отсчеты сигнала приведенного к единице. После этих преобразований можно переходить непосредственно к измерению значения фазы по формуле:
Погрешность измерения
Относительную погрешность измерения амплитуд и фазы, ваттного сопротивления можно определить по формуле
,
где I – величина, погрешность которой необходимо определить; I1, I2, I3, …, Ii – относительная погрешность величин, определяющих I.
Погрешность определения амплитуды сигнала зависит от разрядности АЦП.
Разрешающая способность (шаг квантования) АЦП:
мВ.
Погрешность квантования:
мВ.
Относительная погрешность при амплитуде сигнала U=250 мВ и U=2В:
;
,
где δ - пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерения среднеквадратического значения напряжения переменного тока LCARD E20-10.
Относительная погрешность фазы определяется по формуле:
;
%.
Порядок выполнения работы
4.1. Домашнее задание
Изучить теоретический и практический материал, приведенный в п.2 - п.4. При допуске к выполнению лабораторной работы ответьте на следующие вопросы:
1. Расскажите методику измерения параметров преобразователя.
2. Перечислите основные параметры преобразователя и дайте им определение.
3. Нарисуйте структурную схему установки для измерения параметров преобразователя и расскажите принцип ее работы.
4. Какие погрешности в данных измерениях присутствуют и как их оценить?
5. Расскажите алгоритм выполнения работы.
6. Расскажите последовательность проведения измерений.
7. Как выбрать добавочный резистор?
8. Какое максимальное значение добавочного резистора и как его выбрать?
9. Как определить резонансную частоту преобразователя?
Подготовка установки к работе
4.2.1. Собрать установку.
Для этого генератор сигналов соединить с ЭВМ через обратный кабель RS232-RS232, АЦП соединить с ЭВМ через USB кабель. Входной разъем блока добавочных резисторов через соединительный кабель РК-50 подсоединить к выходу генератора сигналов, а выходной - к преобразователю. Входы АЦП через соединительный кабель РК-50 подсоединить к разъемам блока добавочных резисторов. На Вход 1 подключить кабель от генератора, на Вход 2 – от преобразователя.
4.2.2. Запустить и настроить программу
1.1
Запустить программу. Для установки связи ЭВМ с генератором сигналов, открыть меню «Настройка» и нажать «Определить генератор».
Рисунок 4.1 - Окно программы
Алгоритм выполнения работы
4.3.1. Задать максимальное значение напряжения на входах АЦП в поле «Чувствительность АЦП» равное 3 В. Входные цепи АЦП содержат ограничители и работают в трех режимах: 3В; 1В; 0,3В.
4.3.2. Установить максимальное значение добавочного резистора. На генераторе установить предполагаемое значение частоты основного резонанса преобразователя.
4.3.3. Установить напряжение на выходе генератора не превышающее значение ограничителя входа АЦП.
На панели «Ручная» ввести значение частоты, на которой необходимо произвести измерения, и нажать кнопку «Пуск». В таблице в столбце «Амп. Ген.» отобразится значение напряжения на входе АЦП. Скорректировать напряжение генератора таким образом, чтобы значение в столбце «Амп. Ген.» составляло около 60-90% значения ограничителя АЦП. Напряжение на выходе генератора можно установить вручную на генераторе или в поле «Напряжение генератора» ввести значение напряжения в Вольтах и нажать клавишу «Enter».
4.3.4. Определить резонансную частоту преобразователя.
На панели «Автомат» задать диапазон рабочих частот, шаг перестройки частоты и нажать кнопку «Пуск». Резонансная частота преобразователя определяется по результатам измерений Rw(f), представленных в таблице и на графике. На панели индикации появятся значения резонансной частоты при минимальном Rw(f).
4.3.5. Выбрать добавочный резистор.
На панели «Ручная» ввести значение резонансной частоты и нажать кнопку «Пуск». По результатам измерений «Амп. Ген» и «Амп. Пр.» в таблице установить значение добавочного резистора такой величины, чтобы отношение напряжений «Амп. Ген» и «Амп. Пр.» было ≥ 10.
Установить напряжение на выходе генератора в соответствии с п.4.3.3.
4.3.6. В поле «Задержка» ввести значение времени в миллисекундах между переключением с одной частоты на другую, необходимое для образования установившегося процесса. По умолчанию устанавливается время задержки 200 мс.
4.3.7. На панели «Автомат» задать диапазон рабочих частот, шаг перестройки частоты и нажать кнопку «Пуск».
4.3.8. Программа обрабатывает результаты измерений.
Результаты измерений представлены в таблице и на вкладках «Активная составляющая полного сопротивления», «Емкость динамическая», «Импеданс полный» содержат графики соответственно активной составляющей полного сопротивления, динамической емкости, полного импеданса и поля форматирования графиков.
Поля таблицы открыты для редактирования. Изменения автоматически отражаются на графике.
В текстовое поле вкладки «Главная» вводится информация об измерениях (Дата, название измерения и др.)
Для сохранения данных в текстовый файл, откройте меню «Файл» и нажмите «Сохранить». В появившемся окне диалога введите имя и выберите расположение файла. Структура текстового файла следующая: заголовок – содержимое текстового поля вкладки «главная», данные измерений.
4.2.9. Для передачи данных в MS Word, откройте меню «файл» и нажмите «передать в MS Word».
Указания мер безопасности
4.5.1. При работе с приборами существует опасность поражения электрическим током. Источником опасности является напряжение электропитания электронных приборов, с которыми эксплуатируется установка.
4.5.2. При работе необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:
- при работе с установкой допускаются лица, изучившие руководство по эксплуатации на установку, описания используемых измерительных приборов и основные правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок до 1000 В.;
- перед включением установки необходимо проверить заземление приборов;
- не допускается оставлять включенными приборы и ЭВМ без наблюдения.
Содержание отчета
5.1.Отчет должен содержать: тему лабораторной работы, цель, структурную схему установки, перечень измерительных приборов, входящих в нее, назначение установки, краткое описание принципа работы и назначение функциональных узлов, основные характеристики, измеряемые на этой установке.
5.2.Результаты проведенных измерений и расчет погрешности измерения Rw.
6. Контрольные вопросы
6.2.Каким требованиям электробезопасности должны удовлетворять измерительные приборы?
6.3.Перечислите требования, предъявляемые к измерительной аппаратуре.
6.4.Типы современных измерительных генераторов и осциллографов, их основные характеристики.
6.5.Перечислите основные параметры преобразователей, исследуемые с помощью установки.
6.6.Расскажите принцип работы установки.
6.7.От каких факторов зависит погрешность проведения измерений?
6.8.Что понимается под относительной погрешность измерения напряжения в диапазонах напряжений? Как посчитать относительную погрешность?
6.9.Какие требования техники безопасности необходимо выполнить при проведении лабораторной работы?
6.10.Какие средства относятся к образцовым средствам?
Библиографический список
1. Колесников А.Е. Акустические измерения. - Л.: Судостроение, 1983.
2. Агутов П.В. Последовательные интерфейсы ПК. Практика программирования — СПб.: БВХ-Петербург, 2004. — 496 с.: ил.
3. Кузьминов А.Ю. Интерфейс RS232. Связь между компьютером и микроконтроллером. — М.: Радио и связь, 2004. — 168 с.: ил.
4. Лапин А.А. Интерфейсы. Выбор и реализация. Москва: Техносфера, 2005. — 168.
5. Агуров П.В. Практика программирования USB. — СПб.: БХВ-Петербург, 2006. — 624 с.: ил.
6. Руководство по эксплуатации установки.
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
Автоматизированная установка для измерения
параметров пьезоэлектрических преобразователей
по курсу
АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
для студентов очной, очно-заочной и вечерней
форм обучения
по специальностям:
200102 – Приборы и методы контроля качества и
диагностики;
200105 – Акустические приборы и системы;
180301 – Морская акустика и гидрофизика
Таганрог 2011
Авторы: Т.Н. Куценко – к.т.н., доцент кафедры ЭГА и МТ;
С.С. Снесарев – ст. препод. кафедры ЭГА и МТ;
Г.В. Солдатов – аспирант ЭГА и МТ
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Акустические измерения» на тему: «Автоматизированная установка для измерения параметров пьезоэлектрических преобразователей» для студентов очной, очной заочной и вечерней форм обучения для специальностей: 200102 – Приборы и методы контроля качества и диагностики; 200105 – Акустические приборы и системы; 180301 – Морская акустика и гидрофизика. Таганрог. 2011. - 33с.
Табл. 16. Ил.19. Библиогр.: 6 назв.
Рецензент: В.Ю.Дорошенко, к.т.н., доцент
1. Цель работы
1.1.Изучить принцип работы «Автоматизированной установки для измерения параметров пьезоэлектрических преобразователей» с применением цифровых измерительных приборов, АЦП и ЭВМ.
1.2.Научиться измерятьосновные характеристики пьезоэлектрических преобразователей и оценивать погрешности измерений на автоматизированной установке.
Теоретические сведения