ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. Обзор существующих методов и принципов построения датчиков для измерения усилий 7
1.1. Датчики усилий 7
1.1.1. Датчики усилий вибрационного типа 8
1.1.1.1. Принцип работы вибрационного датчика 10
1.2. Принципы силомоментного очувствления роботов 12
1.3. Пьезоэлектрические датчики усилий 14
1.4. Пьезоэлектрические и магнитоупругие датчики усилий 15
1.5. Датчики на основе акустически связанных пьезоэлектрических
трансформаторов (ПЭТ) 17
ГЛАВА 2. Общие положения видов возбуждения колебаний связанных пьезотрансформаторов 21
2.1. Пьезоэлектрические чувствительные элементы 21
2.2. Пьезоэлектрические датчики 23
2.3. Режимы возбуждения колебаний в системах связанных контуров 23
2.3.1. Гармоническое возбуждение 24
2.3.2. Режим автоколебаний 26
2.3.3. Импульсное возбуждение 28
ГЛАВА 3. Экспериментальное подтверждение целесообразности применения импульсного возбуждения связанных пьезотрансформаторов 32
3.1. Анализ выходных характеристик связанных пьезотрансформаторов при
гармоническом возбуждении 32
3.2. Анализ выходных характеристик связанных пьезотрансформаторов при
импульсном возбуждении 35
3.3. Анализ изменения коэффициента относительной чувствительности
связанных ПЭТ 39
3.4. Анализ выходных характеристик связанных ПЭТ при изменении параметров ведомого осциллятора 44
3.5. Разработка программы для отладочной платы «Миландр» 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 56
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 58
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
В настоящее время при автоматизации, роботизации производственных процессов, при создании умных систем различного назначения используют большое число различных типов датчиков, что приводит к увеличению стоимости систем получения первичной информации, к усложнению их эксплуатации и обслуживания.
В связи с этим представляет интерес поиск новых принципов построения первичных преобразователей, позволяющих обеспечивать избирательность измерительного процесса, с целью создания на их основе многопараметрических датчиков, применимых для измерения нескольких физических величин.
Например, в настоящее время в робототехнике существует потребность в датчиках усилий с возможностью контроля проскальзывания. Для этой цели могут найти применения первичные преобразователи на основе взаимосвязанных пьезотрансформаторов с использованием импульсного возбуждения колебаний. Принципы построения и режимы работы датчиков такого типа являются достаточно сложными и требуют применения микропроцессорной техники для обработки измерительных сигналов.
Разрабатываемый многопараметрический датчик в комплекте с отладочной платой предназначен для использования в учебных стендах при выполнении лабораторных работ по курсу «Сенсорные системы в робототехнике» магистрской программы «Нейроинформационные технологии и робототехнические системы».
Цель исследования
Разработка программно-аппаратной части микропроцессорного измерительного преобразователя с двумя степенями свободы, основанного на использовании импульсного возбуждения взаимосвязанных колебаний пьезотрансформаторов, обладающего расширенными функциональными возможностями.
Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Произвести обзор существующих датчиков усилий и устройств контроля проскальзывания в робототехнике.
2. Обосновать целесообразность использования импульсного возбуждения для создания измерительных преобразователей (ИП) на основе взаимосвязанных пьезоэлектрических трансформаторов (ПЭТ).
3. Привести аналитическое описание связанных колебаний в сложных системах.
4. Выполнить имитационное моделирование режимов работы ИП с двумя степенями свободы при импульсном возбуждении колебаний в системе.
5. Произвести анализ метрологических характеристик ИП такого типа.
6. Разработать программу для отладочной платы по обработке измерительной информации.
7. Произвести необходимые экспериментальные исследования датчика
Научная новизна
Научная новизна работы заключается в установлении наличия оптимального уровня связи в системе с двумя степенями свободы, позволяющего обеспечивать эффективный режим работы ИП, реализующего переходные процессы. Полученные результаты позволили выработать рекомендации по созданию измерительных устройств с расширенными функциональными возможностями, улучшенными метрологическими характеристиками.
Практическая значимость
В ходе выполнения ВКР были проведены имитационное моделирование режимов работы устройства, проанализированы его метрологические характеристики, произведено подключение макета ИП к отладочной плате фирмы «Миландр».
Разработанный датчик усилия предназначен для использования в учебном процессе, а также может найти применение в сенсорных системах роботов.
В результате обзора существующих методов и средств измерения усилий предложена конструкция чувствительного ИП, основанная на использовании взаимосвязанных пьезорезотрансформаторов.
Исследованы особенности механизма чувствительности пьезотрансформаторного датчика усилий. Установлено, что чувствительность датчика при противофазных колебаниях резонаторов существенно выше, чем в режиме их синфазных колебаний, что обусловлено характером взаимных перемещений контактирующих поверхностей.
С использованием методов имитационного моделирования датчика проведен сравнительный анализ режимов работы датчика и оптимизирована конструкция чувствительного элемента датчика. Установлено, что механизм чувствительности датчика зависит от амплитуды и характера взаимных перемещений контактирующих поверхностей.
Проведены экспериментальные исследования макета датчика, подтвердившие результаты теоретических исследований., в частности, что чувствительность датчика зависит как от степени связанности ПТ, так и от уровня возбуждения колебаний в системе.
Предложены варианты исполнения программно-аппаратной части установки для проведения экспериментальных исследований датчика с использованием отладочной платы фирмы «Миландр» и электрические измерительные схемы с аналоговым и цифровым выходом.
В дальнейшем макет датчика на связанных пьезотрансформаторах в комплекте с отладочной платой может быть использован в лабораторных стендах по курсу «Сенсорные системы в робототехнике» для магистерской программы «Нейроинформационные технологии и робототехнические системы».
По работе сделана научная публикация и выступление на V Региональной молодежной конференции «Мой выбор - Наука!» в АГУ в 2018 году.
