• Ешқандай Нәтиже Табылған Жоқ

(1) Некоммерческое акционерное общество ПЕРВИЧНЫЕ ДАТЧИКИ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 5В074600 – Космическая техника и технологии Алматы 2017 Кафедра «Космическая техника и А

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "(1) Некоммерческое акционерное общество ПЕРВИЧНЫЕ ДАТЧИКИ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 5В074600 – Космическая техника и технологии Алматы 2017 Кафедра «Космическая техника и А"

Copied!
99
0
0

Толық мәтін

(1)

Некоммерческое акционерное

общество

ПЕРВИЧНЫЕ ДАТЧИКИ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов специальности 5В074600 – Космическая техника и технологии

Алматы 2017

Кафедра

«Космическая техника и

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

(2)

СОСТАВИТЕЛЬ: М.К. Шимырбаев. Первичные датчики и исполнительные механизмы. Методические указания к выполнению лабораторных работ (для студентов специальности 5В074600 – Космическая техника и технологии). – Алматы: АУЭС, 2017. – 102 с.

Методические указания содержат указания по подготовке и проведению лабораторных работ6 в них приведены описания каждой лабораторной работы6 экспериментальных установок6 дана методика проведения и обработки опытных данных6 перечень рекомендуемой литературы и контрольные вопросы.

Все лабораторные работы составлены с использованием элементов НИРС.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальности 5В074600 – Космическая техника и технологии.

Ил.83, табл.14, библиогр. – 5 назв.

Рецензент: д.ф.-м.н., профессор З.К. Куралбаев

Печатается по издания некоммерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи» на 2017 г.

©НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2017 г.

(3)

Сводный план 2017 г., поз.161

Марат Катубаевич Шимырбаев

ПЕРВИЧНЫЕ ДАТЧИКИ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов специальности 5В074600 – Космическая техника и технологии

Редактор Л.Т. Сластихина

Специалист по стандартизации Н.К. Молдабекова

Подписано в печать . Формат 60х84 1/16

Тираж 30 экз. Бумага типографская №1

Объем 6,4 уч.-изд. л. Заказ . Цена 3200 тенге.

Копировально-множительное бюро некоммерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи»

050013 Алматы, Байтурсынова, 126

(4)

Содержание

(5)

Введение ……… 5

1 Лабораторная работа №1. Определение азимута по геомагнитному датчику ………... 6 1.1 Теоретический материал, необходимый для проведения лабораторной работы ……… 6 1.2 Лабораторная установка ………. 10

1.3 Последовательность проведения лабораторной работы ………. 16

1.4 Оформление отчета о лабораторной работе ………. 21

1.5 Контрольные вопросы ……… 21

2 Лабораторная работа №2. Изучение влияния магнитных материалов на геомагнитный датчик ………... 22 2.1 Теоретический материал, необходимый для проведения лабораторной работы ……….... 22 2.2 Лабораторная установка ………... 25

2.3 Последовательность проведения лабораторной работы ………. 31

2.4 Оформление отчета о лабораторной работе ……… 37

2.5 Контрольные вопросы ……… 37

3 Лабораторная работа №3. Определение угла поворота при помощи датчика угловой скорости ……… 38 3.1 Теоретический материал, необходимый для проведения лабораторной работы ……… 38 3.2 Лабораторная установка ………. 40

3.3 Последовательность проведения лабораторной работы ………. 46

3.4 Оформление отчета о лабораторной работе ………. 53

3.5 Контрольные вопросы ……… 53

4 Лабораторная работа №4. Оценка влияния усиления выходных сигналов датчиков на точность показаний датчика ……….. 54 4.1 Теоретический материал, необходимый для проведения лабораторной работы ……… 54 4 2 Лабораторная установка ………. 56

4.3 Последовательность проведения лабораторной работы ………. 61

4.4 Оформление отчета о лабораторной работе ………. 64

4.5 Контрольные вопросы ……… 64

5 Лабораторная работа №5. Определение линейных перемещений с помощью 3-х осевого акселерометра (датчика линейных ускорений)…. 65 5.1 Теоретический материал, необходимый для проведения лабораторной работы ……… 65 5.2 Лабораторная установка ………. 66

5.3 Последовательность проведения лабораторной работы ………. 71

5.4 Оформление отчета о лабораторной работе ………. 76

5.5 Контрольные вопросы ……… 76 6 Лабораторная работа № 6. Определение углов вращения с помощью

3-х осевого гироскопа (датчика угловых скоростей) ………

77 6.1 Теоретический материал, необходимый для проведения лабораторной работы ………

77

(6)

6.2 Лабораторная установка ………. 78

6.3 Последовательность проведения лабораторной работы ………. 85

6.4 Оформление отчета о лабораторной работе ………. 91

6.5 Контрольные вопросы ……… 91

7 Лабораторная работа № 7. Определению параметров ориентации звездного датчика на основе изображения звездного неба ……….. 92 7.1 Теоретический материал, необходимый для проведения лабораторной работы ……… 92 7.2 Лабораторная установка ………. 98

7.3 Последовательность проведения лабораторной работы ………. 99

7.4 Оформление отчета о лабораторной работе ………. 100

7.5 Контрольные вопросы ……… 100

Список литературы ... 102

(7)

Введение

В настоящее время мировая космическая деятельность вышла на уровень интенсивного развития, связанного как с увеличением востребованности результатов космической деятельности, так и с появлением принципиально новых научно-технических решений и технологий, создающих возможности для совершенствования космической техники.

АУЭС - один из немногих вузов Казахстана, готовящих высококвалифицированных специалистов в области энергетики и телекоммуникации во всём регионе Средней Азии, с 2010 года начал готовить бакалавров космической техники и технологий.

Бакалавр космической техники и технологий должен обладать знаниями и навыками, необходимыми для работы, связанной с проектированием, монтажом, наладкой и эксплуатацией: наземных технических и стартовых комплексов, бортовых систем космических аппаратов и разгонных блоков;

ракетных двигателей, аппаратных и программных средств, обеспечивающих функционирование различных узлов, систем, комплексов и управление полетом космических аппаратов; космических и геоинформационных технологий и систем для их реализации.

Лабораторные работы являются неотъемлемой частью курсов

«Проектирование систем стабилизации и систем наведения», «Первичные датчики и исполнительные механизмы». Они занимают особое место в системе подготовки инженерных кадров, так как дают возможность приобретения навыков работы на реальных приборах и оборудовании, с аналогами которого будущему специалисту, возможно, придется иметь дело в своей практической деятельности.

Современная учебная программа предусматривает проведение цикла лабораторных работ, в ходе которых решаются две принципиально разные проблемы. С одной стороны, проводится экспериментальная проверка справедливости допущений и гипотез, применяемых в теоретических выкладках при выводе окончательных формул. С другой стороны, проводится ознакомление будущих бакалавров с современными средствами контроля и управления космическими аппаратами.

Таким образом, основными задачами лабораторного практикума являются знакомство с основными типами датчиков положения, скоростей и ускорений; изучение методов определения положения летального аппарата в пространстве с помощью датчиков различного типа.

7

(8)

1 Лабораторная работа №1. Определение азимута по геомагнитному датчику

Цель работы: изучение методов нахождения азимута конкретного географического месторасположения с помощью геомагнитного датчика путем определения горизонтальных компонент магнитного поля Земли и учета угла склонения для определения истинного направления на север.

1.1 Теоретический материал, необходимый для проведения лабораторной работы

Азимут - это угол между направлением на север и направлением на предмет, отсчитываемый от направления на север по часовой стрелке. Таким образом, значения азимута могут находиться в пределах от 0 до 360 градусов, то есть в пределах полной окружности. Следует отметить, что азимута 360 градусов не бывает, так как этот угол совпадает с направлением на север, то есть - 0.

Моделью магнитного поля Земли может служить диполь, изображенная на рисунке 1.1. Направление магнитного поля Земли различно - оно направлено вниз в северном полушарии, вверх – в южном и параллельно земной поверхности – на экваторе. Напряженность магнитного поля Земли составляет примерно 0,5-0,6 Гс.

Рисунок 1.1 - Модель магнитного поля Земли

В любой точке географического месторасположения магнитное поле Земли имеет компонент, параллельный земной поверхности и направленный строго на северный магнитный полюс. Данный компонент и используется для определения азимута.

Термин «магнитный полюс» подчеркивает, что географический полюс Земли отличается от магнитного на 11,5º. Географический полюс определяется осью вращения Земли и является исходной точкой меридиональных линий на карте. Различие в расположении магнитного и географического полюсов

(9)

приводит к ошибке определения азимута до 25º. Эта ошибка носит название угла склонения и может быть определена из специальных таблиц в зависимости от конкретного географического месторасположения.

Таким образом, задача нахождения азимута состоит из двух шагов:

- определение горизонтальных компонент X и Y магнитного поля Земли;

- добавление угла склонения для определения истинного направления на север.

Значения горизонтальных компонент X и Y магнитного поля Земли может быть определено с помощью магниторезистивного датчика. Для чего должно быть использовано соотношение:

Азимут = arctan(Y/X), мы можем определить требуемое нам значение.

Приборов детектирования и измерения параметров магнитного поля достаточно много, отчего они используются во многих сферах как чисто технических, так и бытовых. Эти детекторы используются в системах, связанных с задачами навигации, измерения угла поворота и направления движения, определения координат объекта, распознавания «свой - чужой» и т.

д.

Широкая область применения таких датчиков требует использования различных свойств магнитного поля для их реализации. В настоящее время широкое распространение нашли следующие типы датчиков магнитного поля:

- использующие эффект Виганда;

- магниторезистивные;

- индукционные;

- работающие на эффекте Холла.

В лабораторной работе для определения значений горизонтальных компонент X и Y магнитного поля Земли используются магниторезистивные датчики магнитного поля.

Магниторезистивные датчики магнитного поля в качестве чувствительного элемента содержат магниторезистор. Принцип действия датчика заключается в эффекте изменения оммического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля. Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах. Изменение их сопротивления может быть на несколько порядков больше, чем у металлов.

Физическая суть эффекта заключается в следующем.

При нахождении полупроводникового элемента с протекающим током в магнитном поле на электроны действуют силы Лоренца. Эти силы вызывают отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его и, следовательно, удлиняют его (рисунок 1.2). А удлинение пути между выводами полупроводникового элемента равносильно изменению его сопротивления.

9

(10)

Рисунок 1.2 - Принцип действия магниторезистивные датчики магнитного поля

В магнитном поле, изменение длины «пути следования» электронов обусловлено взаимным положением векторов намагниченности этого поля и поля протекающего тока. При изменении угла между векторами поля и тока пропорционально изменяется и сопротивление.

Таким образом, зная величину сопротивления датчика, можно судить о количественной характеристике магнитного поля.

Магнитосопротивление сильно зависит от конструкции магниторезистора. Конструктивно датчик магнитного поля представляет магниторезистор, состоящий из подложки с расположенной на ней полупроводниковой полоской. На полоску нанесены выводы.

Для исключения влияния эффекта Холла размеры полупроводниковой полоски выдерживаются в определенных допусках - ширина ее должна быть много больше длины. Но такие датчики обладают малым сопротивлением, поэтому на одной подложке размещают необходимое число полосок и соединяют их последовательно.

С этой же целью часто датчик выполняется в виде диска Корбино.

Запитывается датчик путем подключения к выводам, расположенным в центре диска и по его окружности. При отсутствии магнитного поля путь тока прямолинеен и направлен от центра диска к периферии по радиусу. При наличии магнитного поля ЭДС Холла не возникает, так как у диска отсутствуют противоположные грани. Сопротивление же датчика изменяется - под действием сил Лоренца пути тока искривляются.

Датчики этого типа, благодаря высокой чувствительности, могут измерять незначительные изменения состояния магнитного поля и его направление. Они применяются в системах навигации, магнитометрии, распознавания образов и определения положения объектов.

При воздействии на магниторезистивный датчик внешних магнитных полей может наблюдаться эффект остаточной намагниченности, что связано с внутренними конструктивными особенностями датчика. Для предотвращения искажений в показаниях необходимо подать импульс намагничивания- размагничивания.

Перед вычислением азимута необходимо нормировать показания датчика. Так как характеристики каналов не идентичны внутри датчика, требуется ввести поправочные коэффициенты:

X=(X-Xsm)/Xnorm , Y=(Y-Ysm)/Ynorm.

(11)

Для этого необходимо сделать полный оборот площадки с установленным датчиком в горизонтальной плоскости и определить максимальные и минимальные показания датчиков по осям. Вычисление поправочных коэффициентов производится по формулам:

Xnorm=(Xmax-Xmin)/2 , Ynorm=(Ymax-Ymin)/2;

Xsm=(Xmax+Xmin)/2 , Ysm=(Ymax+Ymin)/2.

При вычислении азимута надо учитывать, что при Х=0 возникает ситуация деления на нуль и нужно это учитывать при определении значения арктангенса.

В реальных условиях на магнитный датчик оказывают влияние внешние магнитные материалы (железо, никель, сталь, кобальт и др.), превращающие показания датчика при его вращении на 360º из окружности в эллипс и смещающие центр этой окружности. Для внесения компенсации внешних влияющих воздействий на показания необходимо определить два масштабирующих коэффициента Xsf и Ysf , преобразующих эллипс в окружность и две корректирующие величины Xoff и Yoff , возвращающие центр окружности в точку начала координат. В этом случае величины для расчета азимута вычисляются следующим образом:

X=X*Xsf+Xoff; Y=Y*Ysf+Yoff.

Масштабирующие коэффициенты вычисляются следующим образом:

Xsf=max

min max

min

, max

1 X X

Y

Y ;

Ysf=max

min max

min

, max

1 Y Y

X

X .

Корректирующие коэффициенты вычисляются по следующим формулам:

Xoff= - ((Xmax+Xmin)/2)* Xsf ; Yoff= - ((Ymax+Ymin)/2)* Ysf.

1.2 Лабораторная установка 1.2.1 Общее описание.

Общий вид стенда «Геомагнитная навигация» представлен на рисунке 1.3. Стенд представляет собой корпус из немагнитных материалов, с размещенным на верхней и передней наклонной частях графическим разделением отдельных модулей стенда. По центру корпуса размещается под

11

(12)

прозрачной крышкой поворотная платформа (диапазон вращения ±180º), снабженная стопором. На задней части корпуса расположены разъем подключения питания от сети ~220В, обозначенный надписью «Питание», и держатель плавкой вставки, обозначенный надписью «Предохранитель».

Подключение питания к стенду производится при помощи стандартного кабеля питания, входящего в комплект поставки стенда. Рядом со стендом располагается персональный компьютер, на который передаются сигналы геомагнитного датчика, и проводится обработка результатов измерений.

Рисунок 1.3 - Общий вид стенда «Геомагнитная навигация»

1.2.2 Модуль питания 5V 0,5A.

Внешний вид модуля питания стенда приведен на рисунке 1.4. На модуле питания располагаются (по порядку справа налево) выключатель питания, состояние которого обозначены надписями «I» - включено и «О» - отключено. Выше располагается светодиод индикации подачи сетевого напряжения при включении модуля питания стенда. Левее расположен светодиод индикации срабатывания электронной защиты цепи питания +5В, обозначенный надписью «Авария». Ниже располагается кнопка сброса аварийного отключения цепи питания +5В, обозначенная надписью «Откл».

При включении питания стенда срабатывает электронная защита - индикатор

«Авария» должен включиться сразу же после включения питания выключателем питания. Это сигнализирует о работоспособности электронной защиты. Отключите аварийный режим защиты, нажав кнопку «Откл». После этого модуль питания подает питание по цепи +5В на все модули стенда. В случае срабатывания защиты (загорания светодиода «Авария») при работе на стенде, выясните причину перегрузки цепи питания +5В, устраните найденную причину и кратковременно нажмите кнопку «Откл» для подачи питания на модули стенда. Если причина была устранена, индикатор «Авария»

должен погаснуть.

(13)

В К Л

О Т К Л + 5 V А В А Р И Я

М О Д У Л Ь П И Т А Н И Я 5V 0, 5 А

Рисунок 1.4 - Модуль питания 5V 0,5А 1.2.3 Модуль «АЦП - интерфейс RS-232».

Внешний вид модуля приведен на рисунке 1.5. Внутри модуля располагаются два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) для измерений постоянных напряжений. Диапазон измеряемых напряжений 0-5 В. Также внутри модуля располагается микроконтроллер, выполняющий обработку данных АЦП и передачу данных на персональный компьютер по интерфейсу RS-232.

Рядом с условным обозначением входа каждого канала АЦП расположены 2 клеммы красного цвета (условный «плюс» при измерении постоянных напряжений АЦП). Каждая пара клемм обозначена как «Канал X»

и «Канал Y». Клеммы предназначены для подачи измеряемых сигналов при помощи соединительных проводов, входящих в комплект поставки стенда.

Сигналы могут подаваться как с модуля усилителей, так и с модуля

«Схема включения геомагнитного датчика». Также к этим клеммам можно подключать клемму «V Ω» мультиметра, расположенного на измерительном модуле для визуального контроля подаваемых на входы АЦП напряжений.

Также при подсоединении проводников соблюдайте правила общей электротехники и электробезопасности.

В правой части модуля расположен разъем, обозначенный как «RS-232 (ПК СОМ1)». К нему подключается кабель из комплекта поставки стенда, соединяющий стенд с персональным компьютером по интерфейсу RS-232. На персональном компьютере этот кабель подключается к свободному СОМ- порту.

Цепь питания модуля имеет постоянное внутреннее соединение с выходом «+5В» модуля питания. При включении модуля питания питающее напряжение постоянно подается на модуль «АЦП - интерфейс RS-232» без необходимости дополнительных внешних электрических соединений.

13

(14)

М О Д У Л Ь А Ц П - и н т е р ф е й с R S - 2 3 2

R S 2 3 2 (П К C O M 1 ) А Ц П

А Ц П TTL / RS232

Ц П К А Н А Л “ ”X

К А Н А Л “ ”Y

Рисунок 1.5 - Модуль «АЦП - интерфейс RS-232»

1.2.4 Модуль усилителей.

Внешний вид модуля приведен на рисунке 1.6. Внутри модуля расположены 2 усилителя обозначенные как «Усил Х» и «Усил Y».

Коэффициенты усиления каждого из усилителей в отдельности подобраны таким образом, чтобы обеспечить максимальный размах выходного напряжения при усилении сигналов от каждого из каналов геомагнитного датчика.

В левой части модуля расположены входные клеммы каждого усилителя, обозначенные как «Входы». Соответствие входных клемм каналам усилителей наглядно представлено на графическом изображении модуля.

В правой части модуля расположены выходные клеммы каждого усилителя, обозначенные как «Выходы». Соответствие входных клемм каналам усилителей наглядно представлено на графическом изображении модуля.

Цепь питания модуля имеет постоянное внутреннее соединение с выходом «+5В» модуля питания. При включении модуля питания питающее напряжение постоянно подается на модуль усилителей без необходимости дополнительных внешних электрических соединений.

М О Д У Л Ь У С И Л И Т Е Л Е Й

У с и л X К А Н А Л “ ”X

К А Н А Л “ ”Y

У с и л Y В Х О Д Ы

К А Н А Л “ ”X

К А Н А Л “ ”Y В Ы Х О Д Ы

Рисунок 1..6 - Модуль усилителей 1.2.5 Измерительный модуль.

Внешний вид модуля приведен на рисунке 1.7. На измерительном модуле располагается измерительный прибор компании «UNI-T».

(15)

Прибор модели UT58А представляет собой многофункциональный мультиметр с возможностью измерений постоянных и переменных токов и напряжений, емкости, сопротивления. Питание мультиметра осуществляется от модуля питания стенда, описанного в разделе 2. Включение мультиметра осуществляется при помощи желтой кнопки, расположенной под экраном мультиметра с левой стороны. Утопленное положение кнопки соответствует включенному мультиметру. При неиспользовании мультиметра в течение нескольких минут питание прибора отключается автоматически. Для повторного включения необходимо дважды нажать и затем отпустить кнопку включения питания так, чтобы она снова оказалась в утопленном положении.

Выбор режима измерений осуществляется поворотным выключателем в центре мультиметра.

Для проведения измерений в рамках лабораторного стенда применяется только режим измерения прибором постоянных (слабо меняющихся по времени) напряжений. Для этого переключатель режимов измерений прибора должен находиться в положении «20» или «2» диапазона «═V». Клемма

«СОМ» прибора подключается к расположенной рядом с прибором на измерительном модуле клемме черного цвета. Измеряемый сигнал подключается при помощи кабеля, входящего в комплект поставки стенда, к клемме «V Ω» мультиметра.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫ Й МОДУЛЬ

Рисунок 1.7 - Измерительный модуль

1.2.6 Модуль «Магнитный компас – Геомагнитный датчик».

Внешний вид модуля приведен на рисунке 1.8. Модуль выполнен на основе датчика тока американской компании Honeywell. Модель датчика магнитного поля – HMC6052. Подробное техническое описание указанного

15

(16)

датчика на английском языке можно найти на прилагаемом к стенду компакт- диске в папке «CD:\DOC\».

На модуле расположена вращающаяся платформа, закрытая прозрачной крышкой и снабженная ручкой в верхней части крышки. Платформа снабжена стопором для ограничения вращения платформы в диапазоне ±180 градусов.

Вращение платформы производится при помощи ручки.

На вращающейся платформе расположен магнитный стрелочный компас, по которому производится визуальное определение направления платформы по отношению к линиям магнитного поля Земли. Конец стрелки компаса, окрашенный в красный цвет, всегда указывает на северный магнитный полюс.

Напротив стрелочного магнитного компаса расположен датчик магнитного поля, смонтированный на печатной плате, которая через разъем крепится на стойке к вращающейся платформе. Датчик сориентирован соосно стрелочному магнитному компасу для согласования показаний неподвижно закрепленных на одной платформе компаса и датчика.

Все выходные и управляющие цепи датчика выведены на модуль «Схема включения геомагнитного датчика».

Цепь питания датчика имеет постоянное внутреннее соединение с выходом «+5В» модуля питания. При включении модуля питания питающее напряжение постоянно подается на датчик без необходимости дополнительных внешних электрических соединений.

М О Д У Л Ь “ М А Г Н И Т Н Ы Й К О М П А С - Г Е О М А Г Н И Т Н Ы Й Д А Т Ч И К ”

Сх

ема расположения осей датчика

X Y

С х е м а р а с п о л о ж е н и я о с е й д а т ч и к а

X Y

Рисунок 1.8 - Модуль «Магнитный компас – Геомагнитный датчик»

1.2.7 Модуль «Схема включения геомагнитного датчика».

Внешний вид модуля приведен на рисунке 1.9. На модуле представлены в наглядной графической форме основные компоненты датчика магнитного поля.

(17)

В правой части модуля расположены соединительные клеммы красного цвета для соединения выходных сигналов датчика с входными цепями на модуле усилителей, входными цепями на модуле «АЦП – интерфейс RS-232»

или мультиметром. Каждый из каналов датчика магнитного поля определенным образом сориентирован при производстве датчика и ориентация осей датчика представлена на вращающейся платформе модуля

«Магнитный компас – Геомагнитный датчик». Также каждый из каналов датчика имеет условное обозначение «Канал X» или «Канал Y». Возле клемм на модуле имеются соответствующие каналу обозначения.

С Х Е М А В К Л Ю Ч Е Н И Я Г Е О М А Г Н И Т Н О Г О Д А Т Ч И К А

У с и л X

У с и л Y К А Н А Л “ ”X

К А Н А Л “ ”Y В Ы Х О Д Ы A M R

A M R U п и т S E T / R E S E T

S / R - S / R +

Рисунок 1.9 - Модуль «Схема включения геомагнитного датчика»

В верхней части модуля расположено условное обозначение цепи намагничивания-размагничивания чувствительного элемента датчика. Все необходимые электрические соединения выполнены внутри модуля. На передней панели располагается кнопка, обозначенная «Set/Reset», при помощи которой выполняется процесс намагничивания-размагничивания.

1.3 Последовательность проведения лабораторной работы 1.3.1 Общее описание.

Лабораторная работа проводиться с использованием программного обеспечения «Compass», которое входит в состав лабораторного комплекса и предназначено для расчета азимута по сигналам, получаемым с геомагнитного датчика лабораторной установки.

1.3.2 Запуск программы.

Запуск программы осуществляется двойным щелчком «мыши» по ярлыку программы «Compass», который расположен на рабочем столе. Также программу можно запустить из меню Windows – Пуск > Программы >

ChipEngineering > Compass. После запуска программа выводит окно, содержащее рабочую область.

17

(18)

1.3.3 Описание рабочей области программы.

После загрузки на экране появится главная форма программы. Общий вид рабочей области программы представлен на рисунке 1.10.

1 - панель главного меню; 2 – диаграмма стрелочного компаса; 3 – значения поправочных коэффициентов; 4 – значения масштабирующих коэффициентов;

5 - панель состояния; 6 – диаграммы сигналов по каналам X и Y.

Рисунок 1.10 -Общий вид программы 1.3.4 Соединение программы со стендом.

Соединение программы с лабораторной установкой осуществляется через COM-порт. Для подключения необходимо выбрать пункт главного меню

«Соединить» раздела «Измерение». После подключения в панели состояния главной формы отобразится информация о соединении: номер COM-порта и скорость, с которой происходит обмен программы с установкой.

Для отключения программы от стенда необходимо выбрать пункт главного меню «Разъединить» раздела «Измерения». После разъединения на панели состояния появится надпись “отключено”.

1.3.5 Настройки программы.

Изменить настройки можно, выделив пункт главного меню «Настройка»

раздела «Измерения». На экране появится форма настройки программы.

Форма изображена на рисунке 1.11.

1

4 2 3

5

6

(19)

1 - закладки; 2 - выпадающий список; 3 - кнопка отмены изменений;

кнопка внесения изменений.

Рисунок 1.11 -Форма Настройки

Форма «Настройки» позволяет вносить изменения в настройки каналов и порта.

Перейти к настройкам порта можно щелчком левой кнопкой мыши по закладке «Порт». После нажатия активируется соответствующая закладка с настройками порта. Внешний вид формы с выделенной закладкой показан на рисунке 1.12. Для того чтобы изменить соответствующие настройки, выберите значения из выпадающих списков. Изменения будут внесены в файл конфигурации только после нажатия кнопки «Ok». Кнопка «Отмена»

закрывает форму настроек без сохранения изменений.

Рисунок 1.12 - Форма Настройки, вкладка Канал Y

Заполните поля ввода «множитель» и «слагаемое» вещественными числами с запятой в качестве разделителя. Точность округления задается в выпадающем списке. Для подтверждения изменений нажмите кнопку «Ok».

Кнопка «Отмена» закрывает форму без сохранения изменений.

1.3.6 Загрузка и сохранение измерений.

19

1

3 4 2

(20)

Программа позволяет сделать снимок сигналов, поступающих с лабораторной установки. В файле измерений будут сохранены данные, отображаемые на графиках в момент сохранения.

Открыть файл можно, выбрав пункт «Открыть» главного меню раздела

«Файл». После открытия файла на графиках отобразятся сигналы, сохраненные во время предыдущих измерений.

Для сохранения файла измерений необходимо выбрать пункт

«Сохранить» главного меню раздела «Файл».

1.3.7 Проведение измерений.

Включите питание лабораторного стенда. Стенд должен быть подключен к компьютеру. Запустите программу (см. пункт 1.4.2). Для соединения программы с лабораторной установкой выберите пункт главного меню «Соединить» раздела «Измерение» (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 - Меню «Соединить»

После успешного соединения программы на графиках отобразятся сигналы, полученные с лабораторной установки. Общий вид главной формы в подключенном состояний изображен на рисунке 1.14.

Рисунок 1.14 - Главное окно программы в подключенном состоянии

(21)

Далее необходимо провести калибровку геомагнитного датчика. Для этого выберите в меню «Режим работы» пункт «Калибровка».

Медленно вращая поворотную платформу стенда с установленными на ней геомагнитным датчиком и стрелочным компасом до упора сначала в одну, затем в другую сторону, проводится автоматическое определение программой коэффициентов для расчета азимута.

Затем выберите в меню «Режим работы» пункт «Навигация». Программа готова для выдачи расчетных значений азимута. При вращении поворотной платформы программа будет автоматически отображать рассчитанное значение азимута в числовой форме и в виде изображения стрелочного компаса.

Далее отключите программу от лабораторной установки; для этого выберите пункт главного меню «Разъединить» раздела «Измерение». После отключения программы от стенда данные графиков перестанут обновляться.

Сохраните полученные данные в отдельный файл. Для сохранения зайдите в раздел «Файл» главного меню программы, выберите пункт

«Сохранить» (рисунок 1.15).

Рисунок 1.15 - Меню сохранения файла

После нажатия пункта «Сохранить» на экране появится форма сохранения файла.

Откройте сохраненный файл в программе Microsoft Excel. Данные измерений в формате Excel представлены на рисунке 1.17. В верхней строчке указано число измерений на графиках. Далее в строке указаны минимальные и максимальные значения сигналов, полученные после последней калибровки. В левом столбце указано время измерения. Далее идут столбцы Ch1 и Ch2, которые соответствуют каналам X и Y соответственно.

21

(22)

Рисунок 1.17 - Результаты измерений 1.4 Оформление отчета о лабораторной работе

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №1

Тема лабораторной работы: изучение влияния магнитных материалов на геомагнитный датчик.

Цель лабораторной работы: __________________________________

__________________________________________________________

Таблица результатов

Номер измерения

Расчетные значения

азимута

Значения азимута по показаниям

датчика

Значения азимута по показаниям датчика при

наличии магнитных

элементов

Расчетные значения азимута при

наличии магнитных

элементов

Величина отклонения

Вывод: ___________________________________________________

__________________________________________________________

Контрольные вопросы:

1) Что называется азимутом?

2) Что может служить моделью магнитного поля Земли?

(23)

3) В чем заключается различие между магнитным и географическим полюсами?

4) Принцип действия магниторезистивные датчики магнитного поля?

5) Для чего проводиться нормирование показания датчика магнитного поля?

6) Какое влияние оказывают внешние магнитные материалы на показания датчика магнитного поля?

7) Для чего служат корректирующие коэффициенты датчиков магнитного поля?

2 Лабораторная работа №2. Изучение влияния магнитных материалов на геомагнитных материалов на геомагнитный датчик

Цель работы: изучение влияния магнитных материалов на точность показаний геомагнитного датчика.

2.1 Теоретический материал, необходимый для проведения лабораторной работы

2.1.1 Калибровка геомагнитного датчика.

Самый простой метод калибровки геомагнитного датчика состоит в следующем:

- перед началом калибровки подается импульс намагничивания- размагничивания, нажав кнопку «Set/Reset» на модуле «Схема включения геомагнитного датчика»;

- поворотную платформу с установленными на ней геомагнитным датчиком и стрелочным компасом медленно поворачивают до упора сначала в одну, затем в другую сторону. Тем самым обеспечивается вращение датчика на 360º;

- при вращении контролируют показания выходного сигнала датчика по каналу Х при помощи мультиметра. Находят минимальные и максимальные значения, записывают их;

- аналогично, поворачивая платформу, контролируют показания выходного сигнала датчика по каналу Y. Находят минимальные и максимальные значения, записывают их;

- по приведенным в лабораторной работе 1 формулам находят масштабирующие и корректирующие коэффициенты;

- калибровка считается законченной, и можно при помощи полученных коэффициентов рассчитывать по показаниям геомагнитного датчика значения азимута, как описано в лабораторной работе 1;

- рассчитанные значения сравнивают с показаниями стрелочного компаса. Делают выводы о причинах расхождения значений азимута.

Магниторезистивные датчики магнитного поля в качестве чувствительного элемента содержат магниторезистор. Принцип действия

23

(24)

датчика заключается в эффекте изменения оммического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля. Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах. Изменение их сопротивления может быть на несколько порядков больше, чем у металлов.

Физическая суть эффекта заключается в следующем.

При нахождении полупроводникового элемента с протекающим током в магнитном поле на электроны действуют силы Лоренца. Эти силы вызывают отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его и, следовательно, удлиняют его (рисунок 2.1). А удлинение пути между выводами полупроводникового элемента равносильно изменению его сопротивления.

Рисунок 2.1 - Принцип действия магниторезистивные датчики магнитного поля

В магнитном поле изменение длины «пути следования» электронов обусловлено взаимным положением векторов намагниченности этого поля и поля протекающего тока. При изменении угла между векторами поля и тока пропорционально изменяется и сопротивление.

Таким образом, зная величину сопротивления датчика, можно судить о количественной характеристике магнитного поля.

Магнитосопротивление сильно зависит от конструкции магниторезистора. Конструктивно датчик магнитного поля представляет магниторезистор, состоящий из подложки с расположенной на ней полупроводниковой полоской. На полоску нанесены выводы.

Для исключения влияния эффекта Холла размеры полупроводниковой полоски выдерживаются в определенных допусках - ширина ее должна быть много больше длины. Но такие датчики обладают малым сопротивлением, поэтому на одной подложке размещают необходимое число полосок и соединяют их последовательно.

С этой же целью часто датчик выполняется в виде диска Корбино.

Запитывается датчик путем подключения к выводам, расположенным в центре диска и по его окружности. При отсутствии магнитного поля путь тока прямолинеен и направлен от центра диска к периферии по радиусу. При наличии магнитного поля ЭДС Холла не возникает, так как у диска отсутствуют противоположные грани. Сопротивление же датчика изменяется - под действием сил Лоренца пути тока искривляются.

Датчики этого типа, благодаря высокой чувствительности, могут измерять незначительные изменения состояния магнитного поля и его

(25)

направление. Они применяются в системах навигации, магнитометрии, распознавания образов и определения положения объектов.

При воздействии на магниторезистивный датчик внешних магнитных полей может наблюдаться эффект остаточной намагниченности, что связано с внутренними конструктивными особенностями датчика. Для предотвращения искажений в показаниях необходимо подать импульс намагничивания- размагничивания.

Перед вычислением азимута необходимо нормировать показания датчика. Так как характеристики каналов не идентичны внутри датчика, требуется ввести поправочные коэффициенты:

X=(X-Xsm)/Xnorm , Y=(Y-Ysm)/Ynorm.

Для этого необходимо сделать полный оборот площадки с установленным датчиком в горизонтальной плоскости и определить максимальные и минимальные показания датчиков по осям. Вычисление поправочных коэффициентов производится по формулам:

Xnorm=(Xmax-Xmin)/2 , Ynorm=(Ymax-Ymin)/2;

Xsm=(Xmax+Xmin)/2 , Ysm=(Ymax+Ymin)/2.

В реальных условиях на магнитный датчик оказывают влияние внешние магнитные материалы (железо, никель, сталь, кобальт и др.), превращающие показания датчика при его вращении на 360º из окружности в эллипс и смещающие центр этой окружности. Для внесения компенсации внешних влияющих воздействий на показания необходимо определить два масштабирующих коэффициента Xsf и Ysf , преобразующих эллипс в окружность и две корректирующие величины Xoff и Yoff , возвращающие центр окружности в точку начала координат. В этом случае величины для расчета азимута вычисляются следующим образом:

X=X*Xsf+Xoff; Y=Y*Ysf+Yoff.

Масштабирующие коэффициенты вычисляются следующим образом:

Xsf=max

min max

min

, max

1 X X

Y

Y ;

Ysf=max

min max

min

, max

1 Y Y

X

X .

Корректирующие коэффициенты вычисляются по следующим формулам:

Xoff= - ((Xmax+Xmin)/2)* Xsf; 25

Ақпарат көздері

СӘЙКЕС КЕЛЕТІН ҚҰЖАТТАР

Для создания беспроводной сети с топологией BSS необходимо настроить точку доступа и абонентские станции. Настройка точки доступа производится

виртуальной системы предназначен для исследования принципов работы четырех дисциплин диспетчеризации: FCFS, SJN, SRT, RR. Для эмуляции используются

Рассмотрены структуры, назначения и свойства нейронных сетей с обратными связями, методы самообучения нейронных сетей с жесткой и мягкой

ориентированное программирование», «Математическое и компьютерное моделирование». Поиск способов и методов решения вычислительных задач, требующих выполнения

Цель работы: освоить методику построения адаптивных моделей класса ARMA с использованием статистического пакета программ (СПП)

Реестр или его отдельные части можно экспортировать в текстовые reg- файлы, редактировать в блокноте, а затем импортировать обратно. Некорректное изменение

Методические указания содержат указания по подготовке к проведению расчетно-графических работ по работе операционных систем

3.2.3 Программу реализации таймерных функций необходимо выполнить в программном блоке ОВ1, отдельно для каждого типа таймера, как показано на