РАСЧЕТ ДАТЧИКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ - Система автоматического регулирования гидроакустикой батискафа
В качестве чувствительного элемента в датчике используется пьезоэлемент который мы и будем рассчитывать. Но так как один пьезоэлемент не используют а в составе кварцевого резонатора то будем расчитывать его. Кварцевые резонаторы получили широкое распространение в технике и промышленности. Область их применения велика - от наручных часов до элементов компьютерной техники. С 1959 г., когда Зауэрбрей (Sauerbray) показал, что сдвиг частоты пропорционален нагружаемой на кварц массе, кварцевые резонаторы стали основой нового поколения пьезоэлектрических массочувствительных устройств. Массочувствительность кварцевых кристаллов на 5 МГц составляет порядка 0,057 Гц-см2Нг-1[1]. Такие характеристики позволили им занять одно из ведущих мест при измерении концентрации химических веществ. Не остался без внимания этот вопрос и в нашей стране. Прьзокварцевые резонаторы использовались для определения газообразных веществ: от паров ртути до полиароматики. Но недостаток подходящих устройств, позволяющих работать резонаторам со сдвигом по толщине в жидкостях, долгое время сдерживал их проникновение в сфере биоаналитике. В 1982 г. Номура (Nomura) и Окухара (Okuhara) [2] впервые сообщили о создании устройства, способного работать в жидкости. С этого времени началась активная разработка нового поколения биоаналитических инструментов. Необходимо отметить что данная область изучается за рубежом, но в нашей стране не получила широкого распространения. Это связано с рядом проблем, возникающих при контакте пьезокварцевого сенсора с жидкой средой. Как правило, демпфирующие воздействие жидкости на кварцевую пластину столь высоко, что применение автогенераторного метода значительно затрудняется. Генератор не возбуждает на резонансной частоте кварцевого резонатора или же срывы генерации происходят столь часто, что проведения мониторинга процессов сорбции становится невозможным. Между тем, автогенераторный метод наиболее прост и дешев для преобразования электромеханических параметров кварцевой пластинки в электрический сигнал. Частотный электрический сигнал очень удобен в измерении и обработке. Эквивалентная схема кварцевого резонатора, показана на рисунке 3.
Рисунок 3 Эквивалентная схема ненагруженного кварцевого резонатора.
Где: L1 соответствует собственной массе пластинки, C1 представляет собой механическую эластичность кварца, R1 энергетические потери в результате внутреннего трения и сопротивления механических держателей кварцевой пластинки [1], C0 межэлектродная емкость. Необходимо отметить, что элементы C1, R1, L1 оказывают существенные влияния на АЧХ резонатора вблизи резонансной частоты, тогда как вклад C0 постоянен. Учитывая, что кварцевая пластинка нагружена дополнительной массой и находится в контакте со средой, обладающей плотностью и вязкостью, полагаем, что часть кинетической энергии рассеивается, а часть потенциальной механической энергии запасается средой и затем возвращается. Данный процесс электрически выглядит как дополнительное комплексное сопротивление в резонансной цепочке [1].
Формула для сопротивления резонансной цепочки запишется следующим образом [3]:
Где: n - номер гармоники, К - электроакустический коэффициент взаимосвязи, - механическое сопротивление упругим волнам, щ - угловая частота, Pl, зl - плотность и вязкость среды соответственно, - жесткость при сдвиге, - плотность материала кварца. Все расчеты произведем в MatCad 11 с соответствующими размерностями:
Импеданс резонатора можно определить по формуле:
Где: - обобщенная расстройка кварцевого генератора, , fc - частота последовательного резонанса, Гц; а - рабочая частота резонатора, Гц; - добротность резонатора; - отношение сопротивления потерь к реактивному сопротивлению статической емкости.
Динамическое сопротивление R1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от частоты, номера гармоники, конструкции держателя резонатора и других конструктивных факторов. Динамическая емкость C1 изменяется в диапазоне от 5 до 25 пФ по основной гармонике и от 2 до 5 пФ для более высоких гармоник. Динамическая индуктивность L1 варьируется в диапазоне от сотен и тысяч генри для низких частот до нескольких мГн для высоких частот. Исходя, из вышесказанного подберем параметры и произведем расчет:
Эквивалентные последовательные реактивная и активная составляющие рассчитываются по следующим уравнениям:
Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на Рисунке 4.
Рисунок 4 Эквивалентная схема кварцевого резонатора.
Кроме всего, кварцевая пластинка обладает шероховатостью. Физически это выглядит как дополнительная масса, распределенная по пластинке. Электрически данный фактор можно обозначить в виде индуктивности, которая являет собой кинетическую энергию, запасаемую в синхронно движущейся вместе со слоем кварцевой пластинки:
Где средняя высота шероховатости.
Дополнительно, при зажиме кварца в ячейке, нагрузка распределяется неравномерно, и профиль генерируемых колебаний изменяется. Учитывая, что среда не является полностью несжимаемой, неравномерность колебаний ведет к дополнительной потери энергии:
Где Р - показатель зависящий от профиля поверхности, к - показатель сжатия.
В результате проведенного расчета мы получили высокую стабильность частоты, вариации которой зависят только от модулирующего воздействия. Стабильность частоты колебаний определяется как параметрами резонатора, так и особенностями других компонентов схемы генератора [10]. Наряду с высокими полученными показателей стабильности частоты колебаний в основу рационального выбора схемы было положено и общие требования обеспечения высокой надежности: устойчивое существования колебаний заданной частоты, мягкий режим возбуждения колебаний, устранение возможности генерации паразитных колебаний, в том числе колебаний с частотами неиспользуемых резонансов кварцевой пластины.
Похожие статьи
-
Выбор датчика вибрации - Система автоматического регулирования гидроакустикой батискафа
Датчики вибрации предназначены для преобразования параметров вибрации в электрический сигнал: широтно-импульсный модулированный сигнал для последующей...
-
Для реализации УНЧ выбираем микросхему КР538УН3 - одноканальный сверхмалошумящий усилитель низкой частоты. Ее параметры: UПит - 57.5(В) UM. вых. max. -...
-
Редуктор червячный Ч-50 одноступенчатый универсальный предназначен для изменения крутящих моментов и частоты вращения вала в качестве комплектующих в...
-
Выбор микропроцессора - Система автоматического регулирования гидроакустикой батискафа
Микропроцессор характеризуется очень большим числом параметров и качеств, поскольку он, с одной стороны, функционально является сложным программно -...
-
Выбор двигателя - Система автоматического регулирования гидроакустикой батискафа
Названия машины постоянного тока объединяют в один класс генераторы постоянного тока и двигатели постоянного тока. Причина объединения обратимость машин,...
-
Выбор усилителя - Система автоматического регулирования гидроакустикой батискафа
Операционные усилители представляют собой широкий класс аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление аналоговых сигналов, придавать им...
-
Найдем устойчивость системы по переходному процессу и определим прямые оценки качества системы. Соберем систему в MATLAB: После подачи единичного...
-
В состав лабораторной установки входят: - аналоговая вычислительная машина МН-10, на лицевой панели которой набрана электронная модель следящей системы;...
-
Выбор индикаторного устройства - Система автоматического регулирования гидроакустикой батискафа
В качестве устройства высокоточного позиционирования выберем электронно-лучевую трубку, которая входит в состав осциллографа типа АСК-7042 бюджетный...
-
Синхронизация микроконтроллера Данный PIC имеет встроенный тактовый генератор. Однако его стабилизация и выбор частоты должна выполнятся с помощью...
-
Допустимый коэффициент шума приемника за счет внешних источников определяется следующим образом: (3) Где: Дж/К К Ом (штыревая антенна) = 12 мкВ -...
-
Приемник с переменной настройкой УРЧ состоит из каскада транзисторного резонансного усилителя с ОЭ, в котором колебательный контур настроен на частоту...
-
Схема управления и интерфейс - Разработка профессионального радиопередатчика систем низовой связи
Схема управления основана на микроконтроллере PIC16C63. Основные характеристики данной микросхемы перечислены в предыдущем пункте. Работа процессора...
-
Определяем сопротивление резистора Rк. R3= Rк (0.2 0.3) RВых = 0.25*24662 (Ом),где RВых = RВх. ок. Определяем сопротивление резистора Rэ. Rэ =R4= 0.5*Rк=...
-
Вероятность безотказной работы: TСр - среднее время безотказной работы. S - интенсивность отказов. Если изделие содержит n-типов элементов, последний из...
-
Используемая сериальная память 25AA040 является рекомендуемой в использовании в качестве внешней памяти для PIC16C924. Гарантированно выборка данных...
-
Основные конструктивные узлы магнетрона, Анодная система - Многорезонаторный магнетрон
Рисунок 1.1. Устройство многорезонаторного магнетрона: 1 - анодная система; 2 - полые колебательные контуры; 3 - пространство взаимодействия; 4 -...
-
Расчет защитного заземления - Корпоративная система связи с использованием сетевой телефонии
Исходные данные: Все оборудование здания питается от трехфазной сети, напряжением 380В с изолированной нейтралью. Общая мощность источников питания сети...
-
Схема технологического процесса на зоне представлена на рисунке 2. Основные маршруты Возможные маршруты Маршруты выборочного диагностирования Рисунок 2 -...
-
Увеличение точности систем автоматического управления за счет повышения общего коэффициента усиления разомкнутой системы (или добротности) возможно при...
-
Расчет возможной зоны покрытия для системы Произведем расчет дальности связи между антенной базовой станции (BS-AU) и абонентского блока (SU) на стороне...
-
Выбор транзисторов, по допустимой мощности рассеяния на коллекторе, и максимальной амплитуде коллекторного тока: PMax(0.250.3)PВых РMax(0.2750.33) (Вт)...
-
Критерий Найквиста : если годограф Найквиста разомкнутой системы охватывает точку (-1,j0), то система является неустойчивой и наоборот. 1) Построим...
-
Расчет коэффициентов усиления звеньев и постоянных времени K1, K2, K3-коэффициенты усиления звеньев; T1, T2, T3-постоянные времени; N-номер варианта,...
-
Основы организации телефонной связи - Системы телекоммуникации
При телефонной передачи звуковые колебания речи сначала преобразуются с помощью микрофона в колебания электрического тока, передаваемые по линии связи в...
-
ПУ усиливает электрический сигнал, обеспечивая наибольшее отношение сигнал/шум. Основные требования, предъявляемые к ПУ - минимальные шумы, максимальный...
-
Схема трансивера с указанием основных соединений представлена на рисунке 5.1. Рисунок 5.1 Рассмотрим более подробно каждый блок в отдельности: Фильтр...
-
Предположим, что напряжение на входе детектора равно 150 мВ. Требуемый коэффициент усиления линейного тракта определяется как: (10) Реальный коэффициент...
-
В приемниках, частотная избирательность, то есть способность приемника выделять полезный сигнал из суммы всех сигналов и помех, создающихся в антенне,...
-
Определим параметры транзистора ГТ329А при эмиттерном токе 5 мА: Ом - активное сопротивление эмиттерного перехода Ом мСм - активная составляющая входной...
-
Преобразователь частоты состоит из смесителя, к которому подводится сигнал, и гетеродина, напряжение которого периодически изменяет параметры смесителя....
-
Используя цифровой регулятор, построенный методом переменных коэффициентов время переходного процесса составляет tПп ? 5,9 сек. при установлении...
-
При выборе потребителей-регуляторов не следует забывать о затратах на саму систему управления. Количество потребителей-регуляторов должно быть небольшим,...
-
Протокол связи RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи....
-
Схема сопряжения датчиков Микропроцессорный управление автоматический холодильник Схема согласования уровня напряжения датчика с уровнем напряжения...
-
Функциональная схема представлена на рисунке 2. Рисунок 2 - Функциональная схема системы управления Подключение внешней памяти данных В качестве внешней...
-
Современную жизнь трудно представить без достижений радиоэлектроники. Они применяются почти во всех сферах человеческой деятельности в самых...
-
Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными...
-
Отчет должен содержать: - структурные схемы и передаточные функции некорректированной и скорректированной автоматической системы, составленные на...
-
В систему автоматического регулирования температуры воздуха входят автоматические регуляторы АРТ-56-1 и АРТ-56-2, импульсный автоматический регулятор...
РАСЧЕТ ДАТЧИКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ - Система автоматического регулирования гидроакустикой батискафа