Labo Meetsystemen
dr ir J.Baeten
Labotekst Meetsystemen
2004
3 II
Elektronica
3 II
Elektromechanica (opties aut/el)
_______ J. Baeten
- -
Labo Meetsystemen
Proef 1: Digitale optische meetsystemen
Proef I: Digitale optische meetsystemen (Lees cursus pagina's: II.62 - II.67) 1. Incrementaal opnemer Plaats het paneel met de incrementaalschijf (S03536-3K) en het paneel met de incrementaalteller (S03536-3M) naast elkaar. Maak de verbinding van sporen 1 en 2 van de incrementaalschijfopnemer met de A- en B-ingang van de teller. Leg de bruggen voor de optellogica. Reset de teller in de positie 0. 1. Verifieer de signalen A, B, APJ, BPJ, A, B, ANJ, BNJ, bij het verdraaien van de schijf. (Gebruik multimeter en/of geheugenscoop). 2. Breng in twee kolommen (één voor linksomdraaien en één voor rechtsomdraaien) onder elkaar op papier in beeld: A, B, (APJ & B ), (BPJ & A), (ANJ & B),(BNJ & A )... Vul deze set aan voor maximale informatie. (Zie volgende pagina.) 3. Waartoe dient het tweede spoor op de schijf? 4. Geef de binaire uitgangswaarde van de teller voor een aantal opeenvolgende posities. Is het een zuiver binaire of een BCD omzetting? 5. Bouw een 7-segment LED-aanduiding, die de positie van de schijf (numerisch) weergeeft en optelt bij rechtsomdraaien en aftelt bij linksomdraaien. Ga zelf na welke pinnen van de LED bij welke segmenten horen. Gebruik hiervoor een voeding van 5 V en beperk de stroom door de LED tot 10 mA door een serieschakeling met een weerstand. De spanningsval over de LED bedraagt ± 1,7 V. Gebruik de aanwezige decimaal-omzetters. Zoek deze op in een Data-handboek. We krijgen in feite volgend schema: c5V om
7-segment aanduiding
A
a f
B
µ Incrementaal opnemer (schijf)
Incrementaal teller
5V LED Weerstand
b g
e
c d
com
7-segment LED
transister in IC (voor elk LED) 0
_______ J. Baeten
-1-
Labo Meetsystemen
Proef 1: Digitale optische meetsystemen
Figuur 1: Signalen bij links- en rechtsomdraaien Vul aan.
LINKS
RECHTS
A t
t
t
t
B APJ&B BPJ&A
_______ J. Baeten
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
-2-
Labo Meetsystemen
Proef 1: Digitale optische meetsystemen
2. Absolute opnemer 1. Gebruik achtereenvolgens de binair gecodeerde en de Gray gecodeerde schijf. Draai zeer langzaam aan de schijf en geef de uitgang voor de verschillende opeenvolgende posities. Wat merk je op? 2. Bouw een omvormer van Gray naar binair. Sluit deze aan op de 7-segment LEDaanduiding van voorheen. Opmerking: voor de omvorming van Gray naar binair maken we enkel gebruik van exclusieve OR-poorten. Zoek het juiste schema op in de cursus en verifieer dit voor een aantal gevallen.
_______ J. Baeten
-3-
Labo Meetsystemen
Proef 2: Meten met rekstrookjes
Proef II: Meten met rekstrookjes (Lees cursus pagina's: II.13 - II.19) (Zorg voor mm-papier) 1. Doelstelling en opdrachten Het doel van deze proef is het onderzoek van de invloed van rekstrookjes opgenomen in verschillende soorten Wheatstone-bruggen. De student dient de versterkerinrichting af te regelen, de afleeseenheid te kalibreren en de Wheatstone-brug op te bouwen met de rekstrookjes in een éénvierdebrug, halvebrug en een vollebrug. 2. De éénvierdebrug Benodigdheden: - Gelijkspanningmeetversterker, voltmeter, gewichten (100 gr tot 2 kg), bord met buigstaaf en brugschakeling. Een éénvierdebrugschakeling ziet er als volgt uit:
R4
R1 Ua
Ue
R2
R3
Afregeling van de spanningsbron: De gelijkspanningsmeetversterker heeft twee functies. Hij dient als stroom én spanningsbron om de brugschakeling te voeden én om het meetsignaal te versterken. Eerst wordt de spanningsbron afgeregeld. Verbind hiervoor de GND met de -sense en U/Iout met de +sense. Zet nu de modeschakelaar in de stand U = cte. De schakelaar Vref moet op INT staan. Sluit vervolgens de +/- 15 V voeding aan. Plaats nu de voltmeter tussen U/Iout en GND en regel de U-potentiometer zodanig 5V gemeten wordt. De I-potentiometer heeft hier geen invloed. Na afregelen is de ingangsspanning van de meetbrug Ue= ..........
_______ J. Baeten
-4-
Labo Meetsystemen
Proef 2: Meten met rekstrookjes
Afregelen van de meetversterker: Nadat de gelijkspanningsmeetversterker 5 minuten is aangesloten op de voeding, kan de meetversterker afgeregeld worden. Verbind de signaalpunten DIFF.IN (DIFF.IN bestaat uit 2 signalen !!) met elkaar en leg ze aan de massa GND. De verschilspanning DIFF.IN is nu nul. Sluit de voltmeter, in het kleinste meetbereik, aan de uitgang van de versterker, vóór de filter, aan. Zet de versterkerschakelaar GAIN op 1 en de potentiometer FINE GAIN ADJ. op 1. Regel met de potentiometer OFFS.ADJ. de uitgang zo goed mogelijk op nul. Zet vervolgens de versterkerschakelaar GAIN op 1000 en regel de uitgang opniew op nul met INP.OFFS. ADJ. Herhaal indien nodig de voorgaande afregelstappen tot de uitgang zo goed mogelijk de nul volt benaderd. De uitgangsspanning Ua is nu: .......... Opbouw: Bouw de schakeling op volgens onderstaand schema. Hierin is het rekstrookje R1, de potentiometer vormt R3 en R4. R2 is een vaste weerstand van 365 ohm.
Beschrijving van de metingen: Wanneer de staaf in onbelaste toestand is (niet gebogen), moet de brug met het rekstrookje in evenwicht zijn. Regel daarvoor de potentiometer af tot de uitgang nul volt bedraagt. Doe dit telkens bij het begin van een meting met een nieuw (ander) rekstrookje. Schrijf de potentiometerwaarde in de tabel bij de metingen. Vervolgens wordt de staaf belast met gewichten in stappen van 100 of 200 gr tot 2 kg bereikt is. Telkens wordt de uitgangsspanning gemeten en in de meettabel opgenomen. Doe dit voor elk van de vier rekstrookjes. Vergeet niet de brug in het begin terug af te regelen. Zorg ervoor dat het rekstrookje in serie staat met de vaste weerstand door het bord juist te schakelen. _______ J. Baeten
-5-
Labo Meetsystemen
Proef 2: Meten met rekstrookjes
Meettabel: Gewicht [kg]
Rekstr. 1 Ua
Rekstr. 2 Ua
Stand pot.meter Grafieken: Zet voor elk rekstrookje de spanning Ua uit i.f.v. het gewicht in één grafiek (gebruik verschillende kleuren en mm-papier). Vragen: Waarom moet voor ieder rekstrookje de brug opnieuw afgeregeld worden? Waarom hebben de waarden een verschillend teken?
_______ J. Baeten
-6-
Labo Meetsystemen
Proef 2: Meten met rekstrookjes
3. De halvebrug Daar waar we voorheen slechts één rekstrookje gebruikten, gebruiken we er nu twee volgens onderstaande figuur. R4
R1 Ua
Ue R2
R3
De afregelingen gebeuren op dezelfde manier als bij de éénvierdebrug. Het enige verschil is dat de schakelaar GAIN nu op 100 moet staan. Bij de opbouw van de schakeling worden R3 en R4 gevormd door de potentiometer, R1 en R2 zijn de rekstrookjes. Zie onderstaande figuur.
Beschrijving van de metingen: Bij het nameten van de rekstrookjes moet de brug in evenwicht zijn. Regel daarvoor de potentiometer af totdat de uitgang nul volt is, de staaf moet hierbij in rust zijn (niet gebogen). Neem de stand van de potentiometer op in de tabel en doe dit voor elk paar rekstrookjes. Vervolgens wordt de staaf belast met gewichten in stappen van 200 gr tot 2 kg bereikt is. Telkens wordt de uitgangsspanning gemeten en in de meettabel opgenomen. Doe dit voor elk paar rekstrookjes. Vergeet niet de brug in het begin terug af te regelen. _______ J. Baeten
-7-
Labo Meetsystemen
Proef 2: Meten met rekstrookjes
Meettabel: Gewicht [kg]
Rekstr. 1+3 Ua
Stand pot.meter Grafieken: Zet voor een paar rekstrookje de spanning Ua uit i.f.v. het gewicht (gebruik verschillende kleuren en mm-papier). Vragen: Vergelijk de bovenstaande meettabel met deze uit hoofdstuk 2. Wat valt je op? Wat kan je van het afregelen van de brug zeggen? ! Leid het verband tussen gemeten spanning en kracht af voor de halve brug!
_______ J. Baeten
-8-
Labo Meetsystemen
Proef 2: Meten met rekstrookjes
4. De vollebrug Het meetschema is nu weer enigszins gewijzigd. Daar waar we in de éénvierdebrug slechts één rekstrookje gebruikten, gebruiken we nu in iedere tak een rekstrookje, zie onderstaande figuur.
R1
R4
Ua
R2
Ue
R3
De afregelingen gebeuren op dezelfde manier als bij de éénvierdebrug. Het enige verschil is dat de schakelaar GAIN nu op 100 moet staan. Alle weerstanden in de brug zijn in dit geval rekstrookjes. Zie onderstaande figuur.
Beschrijving van de metingen: Regel de brug weerom op nul volt bij nullast. Schrijf de stand van de potentiometer op en geef aan bij welke tak deze hoort: (1+3) of (2+4). Vervolgens wordt de staaf belast met gewichten in stappen van 200 gr tot 2 kg bereikt is. Telkens wordt de uitgangsspanning gemeten en in de meettabel opgenomen.
_______ J. Baeten
-9-
Labo Meetsystemen
Proef 2: Meten met rekstrookjes
Meettabel: Gewicht [kg]
Uitgangsspanning Ua
Stand pot.meter
........
Grafieken: Zet de spanning Ua uit i.f.v. het gewicht (gebruik mm-papier). Vragen: Vergelijk de meettabellen uit hoofdstuk 2 en 3 met deze tabel. Wat zijn je conclusies? Wat kan je van het afregelen van de brug zeggen?
_______ J. Baeten
- 10 -
Labo Meetsystemen
Proef 3: Synchro en resolver
Proef III: De synchro en resolver (Lees cursus pagina's: II.43-II.51 en III.12-III.13) 1. Werking van de synchro Plaats de panelen 8P en 8Q naast elkaar. Het paneel 8P heeft een eigen voeding. Controleer of de stekker insteekt. Zet de rotor onder spanning (schakelaar) en bekijk de statorspanningen bij een hoekverdraaiing van de synchro over 360°. Opmerkingen: - Gebruik bij meting met de scoop steeds het signaal R1 als referentie (1e ingang), laat de scoop hierop triggeren (Waarom?). Verbind R2 met de massa! - Voor een amplitudemeting (RMS-waarde) is de multimeter beter geschikt. De multimeter geeft echter geen informatie over het teken (in fase of in tegenfase). Schets de statorspanningen (S1-S3, S3-S2, S2-S1) t.o.v. elkaar en t.o.v. de referentiespanning voor een drietal hoekposities. Meet over 360° met stappen van 30° met de multimeter de RMS-waarde van de statorspanningen (S1-S3, S3-S2, S2-S1). Bepaal eveneens op de scoop of de uitgang in fase dan wel in tegenfase is met de referentie! (in fase = +, in tegenfase = -) (Zie opmerkingen). Zet deze waarden uit i.f.v. de hoek.
Plaats vervolgens de panelen 8P-8R-8M naast elkaar. Koppel de as van de synchro met de motoras via de riem en zet de motor in snelheidssturing: schakelaar 1 aan (boven), schakelaar 2 af (onder). Leg aan de ingang van de motorsturing 5V aan en regel de snelheid van de motor met de potentiometer. De input van de motor is vooraan het blokkenschema! Opgelet, de motor heeft +15/-15 voeding nodig. (Deze komt niet uit het net en moet je zelf aanleggen.) Zorg dat de massa's correct doorverbonden zijn, ook deze van de onafhankelijke 5 V voeding! Bekijk de statorspanningen op de oscilloscoop (met geheugenwerking) en schets dit signaal (dit is in functie van de tijd en de hoek). Sluit de demodulator aan: R1 aan X1, S1 aan X2, R2 en S3 aan de massa. Bekijk het uitgangssignaal bij een hoekverdraaiing over 360°. Schets de gedemoduleerde statorspanningen (S1-S3) in functie van de hoek. Verklaar dat een vermenigvuldiger gevolgd door een laagdoorlaatfilter werkt als demodulator.
_______ J. Baeten
- 11 -
Labo Meetsystemen
Proef 3: Synchro en resolver
2. Synchroverschilschakeling - Regelkring Ga de werking van de synchroverschilschakeling na in de cursus. Plaats de panelen 8P-8Q-8P-8R-8M bij elkaar. Maak de verbindingen volgens de synchroverschilschakeling uit de cursus. Opgelet: énkel synchro 1 heeft netspanning nodig. Houd de schijf van synchro 1 in een bepaalde stand. Verdraai de schijf van de synchro 2 en meet de rotorspanning op deze synchro. Wat is het verband tussen spanning en hoekverschil? Wanneer is deze spanning ongeveer nul? Bouw nu de synchroregellus op (analoog aan resolver in cursus). De demodulator gebruikt de referentiespanning (rotor 1) en de rotorspanning van synchro2 als ingangen. Verdraai de schijf van synchro 1 en merk op hoe de motorpositie de positie van synchro 1 volgt. Verklaar!
3. De resolver Neem paneel 50 3536-8D: Resolver. Controleer de voedingsspanningen (-15V, 0V en 15V). Sluit de spanningen aan. Stekker van het resolverpaneel niet vergeten. Controleer de resolverformaatspanningen (grootte i.f.v. hoek en/of tijd) Laat het gemoduleerde signaal zien op de geheugenscoop. Verklaar! Wat zou je meten op de rotor indien je aan de stator een tweefasige spanning aanlegt? (Hier niet mogelijk door uitgangsbuffering). Bouw een RC-netwerk analoog aan het schema uit de cursus om een uitgangsspanning te bekomen welke een faseverschuiving geeft die evenredig is met de hoekstand van de rotor. Voorwaarde: ω.R.C = 1 !!
Vx R
Vy
C
VA
Laat het resultaat zien op de scoop.
_______ J. Baeten
- 12 -
Labo Meetsystemen
Proef 4: Ultrasoon & Capacitief
Proef IV: Ultrasone en capacitieve metingen (Lees cursus pagina's: II.20 - II.24 en II.86 - II.88 en II.94) Lees de beschrijving van de ADXL05 (bijgevoegd bij de opgaven). Lees de beschrijving van de ultrasoonsensor (bijgevoegd bij de opgaven). Breng mm-papier mee. 1. Capacitieve versnellingsopnemer (nulstandmethode) Verklaar de werking van deze sensor m.b.v. het gegeven blokschema (fig 3 in beschrijving). Met welk type uit de cursus stemt deze sensor overeen? Sluit de sensor aan op de voeding: +9V op + en 0V op -!!! Meet statisch de aardversnelling: +1g en -1g. Bepaal de gevoeligheidsas van de sensor. Bepaal de gevoeligheid. Gebruik hierbij de voltmeter. Gebruik de sensor als tiltsensor: Meet de twee scherpe hoeken van de rechthoekigedriehoek-lat: Figuur: Formule: Oplossing : hoek = . . . . . ° hoek = . . . . . ° Metingen:
Trillingsmeting: Bepaal de frequentie van een trilling van de massa aan een soepele veer. Wat is de invloed van een verkorting van de veer of een toevoeging van massa? Gegeven: ωn =
k m
=
2π , T
Opgave: Meet ωn bij halve en volledige veerlengte. Controleer dat ij een verdubbeling van k (dit is een half zo lange veer) ωn met wortel 2 toeneemt.
_______ J. Baeten
- 13 -
Labo Meetsystemen
Proef 4: Ultrasoon & Capacitief
2. Ultrasone afstandsmeting Sluit de voeding aan (+5V). Controleer de voeding eerst met de multimeter. Gebruik de TTL of SYNC uitgang op de functiegenerator als INIT-signaal en als eerste signaal op de scoop en trigger op dit signaal. Sluit eerst dit signaal aan en regel de scoop hierop af. Sluit nu de echopuls van de ECHO-uitgang aan op het tweede kanaal van de scoop. Zorg ervoor dat de massa van voeding en functiegenerator glijk zijn! Leg het verband tussen gemeten tijd ∆t en afstand ∆s. Meet verschillende afstanden met het vlakke reflectie-oppervlak (8 meetpunten). Hoe groot is het min- en max-bereik van de sensor? Bepaal de hoekgevoeligheid: onder welke 'maximale hoek' mag het reflectie-oppervlak staan? Hoe ga je te werk? Vergelijk het gevonden resultaat met de sensorgegevens (aanwezig in het labo).
_______ J. Baeten
- 14 -
