Департамент образования города Москвы
Государственное бюджетное  профессиональное образовательное учреждение  города Москвы «Московский колледж управления, гостиничного бизнеса и информационных технологий  «Царицыно»

ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

№№ 1-8

 по МДК.03.04 Детали и элементы авиационных приборов и комплексов

 по специальности

200105 Авиационные приборы и  комплексы

(базовая подготовка)

Москва,

2014

Составитель (автор):

Штыкова С.А., преподаватель спецдисциплин Государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения «Московский колледж управления, гостиничного бизнеса и информационных технологий «Царицыно», высшая квалификационная категория

Рецензент:    

П Р А К Т И Ч Е С К А Я     Р А Б О Т А    №   1

«РАСЧЕТ  ПАРАМЕТРОВ  ПЛОСКИХ  ПРЯМЫХ  И  ИЗОГНУТЫХ  ПРУЖИН И ПРУЖИН КРУЧЕНИЯ".

1. Цель  работы.

     Целью настоящей работы является ознакомление с различными видами плоских пружин в зависимости от их закрепления и приложения нагрузки, и методикой  расчета технологических параметров плоских пружин с предварительным прогибом и без предварительного прогиба.

                                                     2. Содержание  работы.

1. Ознакомьтесь с основными видами плоских пружин, приведенными в методических указаниях.
2. Используя таблицу формул (см. приложение 1) для расчета плоских пружин,

     рассчитайте:

      а) параметры пружины без предварительного прогиба;

      б) параметры пружины с предварительным прогибом.

3. Составьте отчет по работе.
4. Ответьте на контрольные  вопросы.

                                                     3. Методические  указания

    Плоской (пластинчатой) пружиной называется пластина заданной формы

 (прямая  или изогнутая), которая под воздействием внешних нагрузок упруго изгибается - работает на изгиб.

     Эти пружины применяются обычно в тех случаях, когда усилие действует на пружину в пределах небольшого хода, например в качестве контактов электромагнитных реле, сигнализаторов, в подвесах подвижных систем приборов и др. Они закрепляются либо одним концом, тогда нагрузку они воспринимают другим свободным  концом, либо опирают их обоими концами, и тогда нагрузку они воспринимают посередине.

     В зависимости от закрепления и приложения нагрузки различают следующие  плоские пружины:

         а) работающие как консольные балки с сосредоточенной нагрузкой на свободном конце:                      

Рис. 1

       б) работающие как балки, лежащие на двух опорах, с сосредоточенной нагрузкой:

Рис. 2.

         в) работающие как балки, один конец которых закреплен, а другой свободно лежит  на опоре с сосредоточенной нагрузкой:                  

Рис. 3.

    Плоские прямые пружины, работающие с односторонней нагрузкой, обычно в начальном (нерабочем) положении имеют предварительное натяжение. Например, в контактных устройствах для обеспечения большей устойчивости контактов при вибрации.

    Это предварительное натяжение обеспечивается упором, который возвращает пружину в прямое положение. (см. рис. 4):

                    Рис. 4. Прямая пружина с предварительным натяжением.

    В свободном состоянии такая пружина занимает положение "1". Под действием нагрузки Р, прикладываемой на конце, она начнет изгибаться только тогда, когда нагрузка будет больше усилия Ро, создаваемого предварительным натяжением пружины.

    При выборе материала для пружин принимают во внимание назначение пружины в приборе и условия ее работы (характер нагрузки, окружающая температура, влажность, вибрации и пр.).

     При конструировании плоских пружин выбирают наиболее простые формы, допускающие четкий и ясный расчет. Плоские пружины рассчитывают по формулам, приведенным в таблице 1 Приложения 1.

    Спиральные пружины представляют собой тонкую металлическую ленту, закрученную в виде архимедовой спирали. Один конец пружины крепится жестко на оси, а другой к неподвижной детали механизма. Крепят коническим штифтом или пайкой. Крепление пайкой применяют в электроизмерительных приборах. Для предохранения витков спирали (называемой на практике волоском) от заскакивания при тряске и ударах применяют предохранительные пластины (рис.5):

                                                Рис.5. Спиральные пружины.

      Волосок в приборах выполняет различные функции. В электроизмерительных приборах волосок предназначен для создания противодействующего момента и подвода тока к подвижной системе. В механических приборах волосок часто используют для устранения ("выбора") радиальных зазоров в соединениях передаточного механизма.

     Плоские спиральные пружины, действие которых основано на возникновении изгибающего момента в плоскости, перпендикулярной к оси пружины, применяют в часовых, самопишущих механизмах и других приборах, главным образом как аккумуляторы энергии (заводные пружины) с последующим использованием их в качестве двигателей.

     Спиральные пружины рассчитывают по формулам, приведенным в табл.2 Приложения1.

     Прямые пружины, работающие на кручение, применяются в качестве подвесов подвижных систем прибора, где они выполняют роль упругих опор и одновременно служат для создания противодействующего момента, а также контактных пружин (см. рис.6):

                                 Рис.6. Прямая пружина, работающая на кручение

     Пружины кручения  рассчитывают по формулам, приведенным в табл. 3  Приложения 1.

4.  Исходные данные и задание для  расчета.

Задание 1.  Пользуясь таблицей исходных данных  № 1  и таблицей 1 Приложения 1, рассчитайте параметры плоской пружины без предварительного прогиба, изображенной на рисунке 7.

Рис. 7.

              Таблица № 1

Задание 2.  Пользуясь таблицей исходных данных № 2 и таблицей 1 Приложения 1, рассчитайте параметры плоской пружины с предварительным прогибом, изображенной на рис.8.

Рис. 8.

             Таблица № 2

Задание 3. Пользуясь таблицей исходных данных № 3 и таблицей 2 Приложения 1, рассчитайте параметры спиральной пружины.

                Таблица 3

Задание 4.  Пользуясь таблицей исходных данных № 4 и таблицей 3 Приложения 1, рассчитайте прямую пружину кручения.

        Таблица № 4

5. Содержание отчета.

                       Отчет должен содержать

1. Основные определения и схемы различных видов плоских пружин;
2. Схему плоской пружины без предварительного прогиба и расчет ее основных  параметров;
3. Схему плоской пружины с предварительным прогибом и расчет ее основных   параметров;
4. Таблицу формул расчета параметров пружин (приложение 1);
5. Таблицу результатов расчета пружин.
6. Ответы на контрольные вопросы.

6. Контрольные вопросы.

       1. Как выбирают материал для плоских пружин?

       2. Для чего нужно предварительное натяжение пружины (прогиб)?

       3. Как выбирают форму плоских пружин?

Е С К А Я    Р А Б О Т А   №   2

     « Р А С Ч Е Т   И   П О С Т Р О Е Н И Е   Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И

              М Е М Б Р А Н Ы   С   П И Л Ь Ч А Т Ы М   Г О Ф Р О М «  

                                                 1.  Цель работы.

Цель настоящей работы – приобретение студентами навыков расчета мембраны,

определение параметров мембраны и построение ее основной характеристики :

зависимости прогиба от давления.

                                                2. Содержание работы.

1. Ознакомиться с методическими указаниями к работе.
2. В соответствии с индивидуальным заданием рассчитать эффективную площадь мембраны.
3. Рассчитать и построить характеристику мембраны.
4. Составить отчет по работе.
5. Ответить на контрольные вопросы.

                                                3. Методические указания.

      Мембраной называется тонкая круговая пластинка, закрепленная по наруж-

ному  контуру. Мембраны делят на плоские и гофрированные. В отличие от

плоских гофрированные мембраны имеют на своей поверхности концентричес-

кие волнообразные складки, называемые гофрами. В центре гофрированная мембрана имеет плоский участок, к которому припаивают жесткий центр, слу-

жащий для присоединения мембраны к соответсвующим деталям механизма.

Под действием избыточного давления центр мембраны перемещается, и по ве-

личине его перемещения Wo судят о величине изменения давления р.

        Характеристикой мембраны называется зависимость между прогибом цен-

тра мембраны и действующим на мембрану давлением:

                                                                         Wo =  f (p).

В общем случае характеристика мембраны нелинейная.

        Гофрированные мембраны в основном бывают металлическими. Их изгото-

вляют из следующих материалов: бериллиевой бронзы, фосфористой бронзы, нержавеющей стали, стали У10 и У10А, элинвара и др. Мембраны, изготовлен-

ные из бериллиевой бронзы, имеют наименьшую величину гистерезиса (0,2 –

0,5 %) и более стабильную характеристику.

       Для расчета характеристик мембран с произвольным периодическим профи-

лем (синусоидальным, пильчатым, трапецеидальным и др.) была выведена сле-

дующая формула:

                                                Eh

                                        р = ------ (ahwo²   +  bwo³),                               ( 1 )

                                                 R4

       где     р - давление, действующее на мембрану,  кг/см²;

                 Е - модуль упругости, кг/см²;

                 h - толщина  материала мембраны, мм;

                 R - радиус мембраны, мм;

                wo - прогиб центра мембраны, мм;

             а и b  - коэффициенты, зависящие от формы и размеров гофра.

      По сравнению с плоскими мембранами гофрированные мембраны обладают следующими преимуществами:

1. большей величиной максимально допустимого прогиба, т.е. прогиба, при котором остаточные деформации отсутсвуют, что позволяет использовать гофрированные мембраны для измерения больших величин давления.
2. более линейной характеристикой. Введение гофрировки увеличивает нача-

льную жесткость мембраны, т.е. жесткость при малых прогибах. С увеличе-

нием прогиба жесткость гофрированной мембраны растет, но в меньшей

степени, чем у плоской. Вследствие этого выпрямляется характеристика гофрированной мембраны.

3. большей стабильностью характеристики и большей устойчивостью к влия-

нию перекосов при закреплении мембраны.

4. возможностью изменения характеристик мембраны в требуемом направле-

нии.

Наибольшее влияние на характеристику мембраны оказывают толщина ма-

териала  h  и глубина гофра H.

       С увеличением толщины материала увеличивается жесткость мембраны и

возрастает нелинейность характеристики. При увеличении глубины гофра уве-

личивается начальная жесткость мембраны, т.е.жесткость при малых прогибах,

и выпрямляется ее характеристика.Изменение формы и числа гофров при посто-

янной глубине гофра влияет на характеристику мембраны значительно меньше.

Таким образом, при выбранном профиле мембраны можно получить характери-

стику (по давлению), близкую к линейной.

                                       Эффективная площадь мембраны.

          В приборе мембрана или мембранная коробка при своем перемещении ис-

пытывает со стороны передаточного механизма или связанных с ней других деталей сопротивление. Сопротивление механизма можно представить в виде

приведенной к центру мембраны силы. Эта сила создается трением в механизме

прибора и дополнительными упругими элементами в приборе (волоском,допол-

нительной пружиной). Для приведения механизма в движение необходимо, что-

бы мембрана была в состоянии преодолеть сопротивление этой силы. Для этого

нужно знать, какую силу развивает на своем центре мембрана при действии на

нее давления. Эту силу называют тяговым усилием или перестановочной силой.

          Понятие «эффективная площадь» мембраны введено для определения си-

лы, развиваемой центром мембраны при действии на нее давления, т.е. для определения тягового усилия, равного произведению эффективной площади на величину действующего на мембрану давления.

          Пусть на мембрану действует избыточное давление. Под действием этого

давления центр мембраны прогнется на величину Wo. Приложим к центру мембраны такую силу Q, которая вернула бы мембрану в исходное положение:

                                                           wo=0.

Очевидно, что эта сила будет равна силе, развиваемой центром мембраны под

действием избыточного давления  «р».

         Если действующее давление изменить на величину Δр, то для сохранения

той же величины прогиба Wo  силу Q необходимо соответственно увеличить на величину ΔQ. Таким образом, эффективную площадь мембраны можно опреде-

лить как отношение приращения сосредоточенной силы ΔQ к приращению дав-

ления Δр, вызывающих одинаковый прогиб или одинаковое изменение прогиба:

                                                      ΔQ

                                       Fэфф  = ------

                                                       Δр

         Эффективная площадь мембраны не является постоянной величиной. Она

зависит от величины прогиба мембраны и характера изменения прогиба от дав-

ления «р». При линейной характеристике мембраны эффективную площадь можно считать величиной постоянной.

          Как показали экспериментальные исследования, эффективная площадь у

большинства мембран уменьшается с увеличением прогиба. На практике эффек-

тивную площадь мембраны находят по следующей приближенной формуле:

                                    Fэфф = π/3 ( R²  +  Rr  +  r² ),                          ( 2 )

 где  R – рабочий радиус мембраны, мм;

        r  – радиус жесткого центра, мм.

                                              4.  Исходные  данные.

4.1. Рассмотрите профиль мембраны с пильчатым гофром (рис.1).

                                                                                                            Таблица  №  1  

    Определите отношение глубины гофра к  толщине материала   H / h  и для

    полученного значения  и заданного угла наклона гофра ϕ  по таблице 1 оп-

    ределите значения коэффициентов  а  и  b :

                                                                                                       Таблица  2

                                         Для  ϕ = 10° :    

                                         Для  ϕ = 20° :    

                                         Для  ϕ = 30° :    

4.2. В формулу (1) подставьте заданные и полученные из таблиц значения и получите формулу, в которой останется только одна неизвестная величина : прогиб wo .

4.3. Задаваясь различными значениями прогиба wo (см.табл. 2) от 0,2 до 2,0 мм,

определите соответствующие этим прогибам значения давления «р» и заполните таблицу № 3:

                                                                                                                       Таблица 3

4.4. По полученным данным постройте характеристику мембраны

                                    wo =  f (p).

      Какова полученная характеристика мембраны ?

4.5. Определите эффективную площадь мембраны, пользуясь формулой (2).

                                   5. Контрольные  вопросы.

1. От чего зависит начальная жесткость мембраны?

2. Какие факторы оказывают влияние на характеристику мембраны?

3. Всегда ли постоянна эффективная площадь мембраны и почему ?

                                              6.  Содержание отчета.

                    Отчет должен содержать :

1. Эскиз мембраны с пильчатым гофром.
2. Расчет эффективной площади мембраны.
3. Расчет характеристики мембраны.
4. График зависимости  wo = f (p).
5. Таблица результатов расчета.
6. Ответы на контрольные расчеты.

ПРАКТИЧЕСКАЯ    РАБОТА   №   3

"РАСЧЕТ   ПАРАМЕТРОВ  МЕТАЛЛИЧЕСКИХ  ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ"

1. Цель  работы.

           Целью работы является ознакомление с основными типами конструкций, материалами и сплавами для тензоупругих чувствительных элементов, а также с методикой расчета их характеристик.

2. Содержание работы.

1. Ознакомиться с методическими указаниями к работе.
2. Пользуясь основными соотношениями, данными в методических указаниях, и заданными значениями величин, произвести расчет абсолютного и относительного изменения сопротивления, и относительной деформации тензорезистора.   
3. Ответить на контрольные  вопросы.

3. Методические  указания.

1. Назначение.

         Тензорезисторные чувствительные элементы применяют для измерения упругих деформаций, механических напряжений, давлений, усилий, малых перемещений, вибраций, ускорений. Принцип работы рассматриваемых чувствительных

элементов основан на тензорезистивном  эффекте, заключающемся в изменении

активного сопротивления проводника при упругой деформации.

2. Материалы.

        В авиаприборостроении находят применение металлические и полупроводниковые тензорезисторы. Материал тензорезисторов должен иметь высокие коэффициент чувствительности и удельное электрическое сопротивление, а также малый температурный коэффициент сопротивления. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют из металлических материалов - константан, а из полупроводниковых  -  кремний. 

3. Конструкция.

        Металлические тензорезисторы могут быть изготовлены из проволоки  и

фольги. Проволочные тензорезисторы подразделяются на приклеиваемые и свободные.

        Приклеиваемый проволочный тензорезистор выполняется в виде решетки,

состоящей из нескольких петель проволоки диаметром 20-30 мкм, наклеиваемых на бумажную или пленочную основу и закрытых  сверху такой же тонкой бумагой или пленкой. В качестве основы для пленки используют бакелитовый клей, клей БФ-2, специальные композиции, расширяющие температурный диапазон применения тензорезисторов до 400-800  С.

        Характеристика проволочного тензорезистора представляет собой зависимость его сопротивления от деформации

                                       εR   =  f ( εl ).

      Эта характеристика линейная. Значение коэффициента тензочувствительности постоянное и равно

                                            S = 2.

      Приклеиваемый фольговый тензорезистор изготовляют из ленты фольги

 толщиной около 0,01 мм. В качестве материала фольги применяют константан, медно-никелевые, золотосеребряные, титано-алюминиевые сплавы. Коэффициент

тензочувствительности фольговых тензорезисторов, также, как и проволочных, равен 2. Фольговые конструкции более технологичны при выполнении  решеток

сложного профиля, применяемых для измерения деформаций, основное направление которых неизвестно.

         Полупроводниковые тензорезисторы  по сравнению с проволочными имеют большую чувствительность при значительно меньших размерах. Однако высокую чувствительность п/п тензорезисторов трудно реализовать  вследствие  нелинейности их характеристики и сильной подверженности воздействию температуры.

         Коэффициент полупроводникового тензорезистора зависит от кристаллографического направления, типа проводимости, количества примесей, температуры, деформаций. Знак тензоэффекта при растяжении в полупроводниках  n-типа - отрицательный, а р-типа  -  положительный. Наиболее сильно тензоэффект выражен у  кремния Si, германия Ge, антимонида индия InSb, антимонида галлия GaSb.

            Для изготовления тензорезисторов применяют в основном кремний и германий, которые отличаются высокой чувствительностью и технологичностью.

Основные зависимости.

         Сжатие или растяжение детали, на которой закреплен тензорезистор, вызывает изменение размеров проволоки тензорезистора (ее длины l и площади поперечного сечения q)  и удельного электрического сопротивления ρ.

      В результате деформации  сопротивление тензорезистора

                                         R =  ρ l / q                                     (1)

      изменится на величину    Δ R.

        Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется соотношением

                        εR  =  Δ R / R  =    Δ l / [ l (1 - 2 μ  )]  +   Δ ρ / ρ              (2)

  где    Δ l  - изменение длины тензорезистора;

          Δ ρ  - изменение удельного электрического сопротивления;

           μ    -  коэффициент Пуассона.

          Коэффициент тензочувствительности  S  тензорезистора определяется

как отношение :

                                               Δ R / R                                

                                  S  = ----------- =    εR  / εl                       ( 3 )

                                              Δ l / l        

где   ε R  -  относительное изменение сопротивления тензорезистора;

        ε l   -  относительное удлинение тензорезистора.

Абсолютное изменение сопротивления  тензорезистора

                                     Δ R  =  S R εl    , Ом                           ( 4 )                                

Относительное  изменение сопротивления  тензорезистора

                                   ε R  =   ΔR / R                                   ( 5 )

Минимальная относительная деформация

                                     (εl )min   =  εR  /  S                    ( 6 )

 Минимальная абсолютная деформация   детали в месте установки тензорезистора:

                                    (Δ l)min  =  (ε l )min   lб    ,  мм             ( 7 )    

Минимальное напряжение в пружине, которое может быть измерено данным  тензорезистором

                                           σmin  = (ε l )min Е,  Па                   ( 8 )    

 где Е - модуль упругости материала, Па. Поэтому тензорезисторы можно использовать для измерения не только упругих деформаций, растяжения или сжатия, но и для измерения других неэлектрических величин, изменение которых связано с относительным изменением длины поверхности детали.

4. Варианты заданий и исходные данные.

   Пользуясь формулами (1) – (8) и исходными данными таблицы № 1, решите предложенные задания.

Задание № 1.

    Проволочный константановый на пленочной основе тензорезистор ПКП-10-100

с базой длиной  lб  и номинальным сопротивлением R наклеен на деталь, которая в месте установки тензорезистора имеет относительное удлинение εl. Коэффициент тензочувствительности  равен S.

        Определить:  абсолютное  ΔR  и относительное  ε R   изменение сопротивления тензорезистора.

Задание № 2.

    Проволочный константановый на пленочной основе тензорезистор ПКП-10-100

наклеен на плоскую стальную пружину.

        Определить: минимальные значения деформаций и напряжений в плоской пружине, которые могут быть измерены с помощью тензорезистора, если минимальное значение относительного сопротивления, которое измерено εR ; база длиной lб, модуль упругости материала пружины Е.

                                                                                                         Таблица № 1

   Полученные значения сведите в таблицу № 2:

                                                                                                                  Таблица № 2

5. Содержание отчета.

               Отчет должен содержать:

1. Основные определения и понятия.
2. Расчет параметров тензорезистора.
3. Таблицу результатов расчета.
4. Ответы на контрольные вопросы.

6.  Контрольные  вопросы.

1. Для чего применяется  тензорезистор и какой принцип лежит в основе его работы?
2. Какими бывают тензорезисторы?
3. Какие материалы применяются для изготовления тензорезисторов? 

                      П Р А К Т И Ч Е С К А Я     Р А Б О Т А    №   4

         "РАСЧЕТ  ПАРАМЕТРОВ  ФОТОРЕЗИСТОРОВ  С  ВНУТРЕННИМ  

            И  ВНЕШНИМ  ФОТОЭФФЕКТОМ   И  ЭЛЕМЕНТОВ  ХОЛЛА"

                                                 1.  Цель  работы.

       Целью настоящей работы является изучение конструкции и принципа действия параметрических и генераторных (вентильных) фотоэлектрических ЧЭ, элементов Холла и расчет их основных электрических параметров.

                                           2. Содержание работы. 

1. Ознакомиться с методическими указаниями к работе. Сделать краткий конспект основных определений и понятий.
2. В соответствии с индивидуальным вариантом (см. табл.1) выполнить расчеты параметров фотоэлементов и элемента Холла.
3. Ответить на контрольные вопросы.
4. Составить отчет по работе.

3. Методические указания.

1. Фоторезисторы.

    Действие фотоэлектрических ЧЭ основано на фотоэлектрическом эффекте, т.е. явлении возникновения электрического тока или изменения электропроводности вещества под влиянием лучистой энергии. Элементы, преобразующие лучистую энергию в электрическую, называют фотоэлементами (ФЭ). Действие параметрических ФЭ основано на внешнем и внутреннем фотоэффектах.

    ФЭ, основанные на внутреннем фотоэффекте, называют фоторезисторами (ФР) или фотосопротивлениями. ФР обычно изготовляются из сернисто-свинцовых, сернисто-висмутовых, сернисто-кадмиевых и селенисто-кадмиевых материалов, электропроводность которых заметно меняется в зависимости от их освещенности. Светочувствительный слой наносится на изолирующее основание. Гребневидные штрихи, залитые электропроводящими веществами (платина, золото, графит), образуют электроды, к которым подводится напряжение.  

    Зависимость фототока от освещенности – нелинейная. Благодаря своей простоте, микроминиатюрности, отсутствию реактивных усилий и механических связей с объектом (связь осуществляется по световому лучу), широкому диапазону изменения выходного сигнала, высокому быстродействию и надежности ФР – являются наиболее перспективными ПЭ. К недостаткам относятся нелинейность характеристики, сильную зависимость ее от температуры окружающей среды. Для устранения последнего недостатка применяют термостатированные ФР.

      Световая характеристика – зависимость фототока от светового потока, падающего на фотокатод при постоянном приложенном напряжении. Ценными качествами вакуумных ФЭ является пропорциональность между фототоком Iф и световым потоком Ф (закон Столетова А.Г.) и безынерционность действия.  

      Световая характеристика выражается уравнением:

                               Iф = S ⋅ Ф                                                                  (1)

где  S – чувствительность ФЭ к световому потоку в мкА/лм.

2. Вентильные фотоэлементы.

    В вентильном фотоэлементе (ФЭ) (рис.1) под действием света происходит разделение возбуждаемых светом носителей тока (электроны, дырки), и на выходных электродах образуется ЭДС, вызывающая явление фототока.  

                             Рис.1. Схема  вентильного фотоэлемента.

    Световой поток проходит через полупрозрачный электрод 1, тонкий слой 2 полупроводника n - типа и поглощается в прилегающей к нему части полупроводника р - типа 3. В р-n переходе происходит разделение зарядов: электроны перебрасываются в n-область и беспрепятственно проникают в слой 2, дырки отбрасываются в р-область. При малом сопротивлении внешней электрической цепи фототок приблизительно пропорционален световому потоку. Интегральная чувствительность селенового ФЭ составляет 200 – 500 мкА / лм, а для ФЭ из сернистого серебра около 4000 мкА / лм.

    Спектральные характеристики селеновых и сернистосеребряных вентильных ФЭ близки к кривой спектральной чувствительности человеческого глаза. Селеновые ФЭ широко используются для измерения освещенности и потоков цветного излучения. Вследствие весьма большой инерционности эти ФЭ могут использоваться только при постоянных световых потоках. Достоинством вентильных ФЭ является высокая чувствительность, достаточная для работы без усилителя.  

        Световой поток в люменах, падающий на фотоэлемент, определяется по формуле:

                   Ф = kn ⋅E⋅F⋅sin Δβ                                                          (2)

где kn – коэффициент пропускания оптической системы;

      Е – освещенность, создаваемая Солнцем, лк;

      F – полезная площадь фотоэлемента, м²;

      Δβ – угол между плоскостью пеленгации и направлением на центр Солнца.

       Величина фототока определяется по формуле:

                             Iф = ϕ ⋅ Ф                                                                   (3)

где ϕ - интегральная чувствительность ФЭ, мкА/лм.

3. Датчики Холла.

   ПЭ Холла представляет собой полупроводниковую пластинку или пленку, снабженную двумя парами электродов (рис.2).

                                        Рис.2. Схема элемента Холла.

     Электроды 1-1 выполняются по всей ширине пластинки и называются токовыми (управляющими входными). Электроды 2-2 располагаются посередине длинных сторон пластинки и являются точечными. Они называются электродами Холла или выходными.

     Если в цепи управляющих электродов течет ток, а элемент находится в магнитном поле, индукция В которого перпендикулярна плоскости пластины, то на электродах 2-2 возникает ЭДС ех, которую называют ЭДС Холла.

     Основным параметром элемента Холла  является его чувствительность S  в режиме холостого хода:

                                               ex

                                    S =  --------                                                (4)

                                              B ⋅ I      

     Для изготовления элементов Холла в основном применяют германий и кремний. Наименьшая толщина элемента, которую удается получить при изготовлении его в виде пленок, составляет 10-6 м, а при изготовлении их полупроводниковых кристаллов не меньше 10-4 м.

     Одним из недостатков элементов Холла является значительная зависимость ех от температуры. Для уменьшения температурной погрешности применяют термостатирование или вводят температурную компенсацию.

4. Исходные  данные  и  задания  для  расчета.

                                                                        ЗАДАНИЕ  № 1.

     Пользуясь исходными данными (табл.1) и формулой (1), определите напряжение uвых для фотоэлемента, если задана чувствительность к световому потоку S, световой поток Ф, сопротивление нагрузки Rн.

    Сделайте вывод о величине фототока.

                                                                                                            Таблица № 1

                                                   ЗАДАНИЕ  № 2.

        Пользуясь исходными данными (табл.2) и формулами (2) и (3), определите величину фототока  вентильного  фотоэлемента, если заданы освещенность Е, угол Δβ, полезная площадь фотоэлемента S, коэффициент пропускания оптической системы kn интегральная чувствительность ϕ.

                                                                                                         Таблица № 2

                                               ЗАДАНИЕ  № 3.

     Пользуясь исходными данными (табл.3) и формулой (4), определите ЭДС элемента Холла, изготовленного из германия, если задана чувствительность элемента S, ток управления I и индукция В.

     Сделайте вывод о величине ЭДС.

                                                                                                                 Таблица 3  

                                                                                                Продолжение таблицы 3

5. Содержание отчета.

            Отчет должен содержать:

1. Основные понятия и определения, схемы вентильного ФЭ и элемента Холла.
2. Расчеты основных параметров фотоэлементов и элемента Холла.
3. Выводы о величинах фототока, протекающего через ФЭ.
4. Ответы на контрольные вопросы.

6. Контрольные вопросы.   

1. Что представляет собой световая характеристика ФЭ?
2. Какова область применения селеновых ФЭ?
3. Каковы недостатки фоторезисторов?
4. Какие материалы применяются для изготовления элементов Холла?

П Р А К Т И Ч Е С К А Я     Р А Б О Т А    №    5

"РАСЧЕТ  ОСНОВНЫХ  ХАРАКТЕРИСТИК  ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ Ч.Э."

1.  Цель  работы.

           Познакомиться с назначением  пьезоэлектрических чувствительных элементов,  материалами для их изготовления и методикой расчета основных характеристик.

2. Содержание работы.

5. Ознакомиться с методическими указаниями к работе. Сделать краткий конспект основных определений и понятий.
6. В соответствии с индивидуальным вариантом (см. табл.1) выполнить расчеты параметров пьезоэлемента.
7. Заполнить таблицу результатов расчета.
8. Ответить на контрольные вопросы.
9. Составить отчет по работе.

3.  Методические  указания.

     1. Назначение.  Пьезоэлектрические ЧЭ применяют для измерения быстроизменяющихся механических величин: усилий, вибраций, давлений, ускорений. Эти элементы используют в пьезоэлектрических преобразователях динамических сил, для измерения  давлений при взрывах, в пьезоакселерометрах, в счетчиках метеорных частиц на искусственных спутниках Земли.

         Принцип действия пьезоэлектрических ЧЭ основан на использовании пьезоэлектрического  эффекта.

         Прямой  пьезоэффект  -  это появление электрических зарядов разного знака на  противоположных гранях некоторых кристаллов - пьезоэлектриков - при их механических деформациях. При снятии механических напряжений кристалл приходит в ненаэлектризованное состояние.

         Обратный  пьезоэффект - проявляется в способности некоторых диэлектриков  механически деформироваться при наложении электрического поля. Это явление используется  в ультразвуковых излучателях колебаний.

         Количественно пьезоэффект оценивают  пьезомодулем  d1,который зависит от пьезоэлектрических свойств материала и устанавливает пропорциональную зависимость  между возникающим зарядом Q  и приложенной силой  P :

                                                 Q = d1 P

     2. Материалы. Важнейшими природными материалами, обладающими пьезоэлектрическими свойствами, являются  кварц  и  турмалин. Наряду с природными кристаллами в технике находят применение искусственные кристаллы: сегнетова  соль, дигидрофосфат аммония и другие,  называемые сегнетоэлектриками.  Однако низкая механическая прочность и сильная зависимость свойств от температуры и влажности  не позволяют  применять сегнетоэлектрики для измерительных целей.

         В настоящее время широкое распространение получили сегнетоэлектрики в виде   пьезокерамики  титаната  бария и его композиций (ниобата, цирконата -титаната  свинца и др.). Все они имеют большой пьезомодуль, механически прочны и могут быть изготовлены любой формы и размеров.

         Для получения наибольшего пьезомодуля пластину из шестигранного кристалла  кварца вырезают таким образом, чтобы ее плоскость была перпендикулярна к кристаллографической  оси Х, называемой электрической, или пьезоэлектрической осью (см. приложение рис.1а). В зависимости от свойств кристалла выделяют оптическую ось Z  и механическую ось Y:

                 Рис.1, а. Ориентация пластины в кристалле кварца.

      Продольный пьезоэффект  возникает при действии на пластину сжимающих или  растягивающих сил Рх  вдоль электрической оси, перпендикулярной к плоскости Fx  пластины (рис.1, б)  

                         Рис.1, б. Схема продольного пьезоэффекта.

         Поперечный  пьезоэффект  возникает при действии  сжимающих или растягивающих сил  Ру  вдоль механической оси на плоскости  Fy (рис.1, в):

                              Рис.1, в. Схема поперечного пьезоэффекта.

 При воздействии сил на пьезоэлемент вдоль оптической оси Z пьезоэффект на возникает.

  3.  Основные  зависимости.

         Заряд  Qх, Кл, возникающий при продольном пьезоэффекте:

                                    Qx =  d1Px                                                                     ( 1 )

           где  d1 = 2,1 · 10-12   Кл/Н  - пьезомодуль кварца;

                Px - сила, Н

   Пьезоэлемент с металлическими пластинами на гранях Fx  является плоским конденсатором, напряжение на обкладках которого равно (см. рис.1, г):

                  Рис.1, г. Эквивалентная схема включения пьезоэлемента.

                        U = Qx / (C + Co)  =  d1Px  /  ( C + Co)                    ( 2 )

     где   Co - емкость присоединенной схемы;

                  C  - емкость пьезоэлемента;

                        C  = εo εr Fx / δ = εr Fx / δ                                    ( 3 )

    где  εr   = 3,5  относительная диэлектрическая проницаемость для кварца;

           εo  = 8,85 · 10-12   Ф/м; - диэлектрическая проницаемость вакуума;

           Fx  - площадь грани, кв.м;

           δ   - толщина пластины, м. 

       Чувствительность  пьезоэлемента равна пределу отношения приращения напряжения  к приращению силы, вызвавшей его:

                                 dU          d1

                         S = ------ = ----------- ,   (В/Н)                          ( 4 )

                                dPХ     C  +  Cо

т.е. увеличение емкости схемы ведет к снижению чувствительности.

        Для повышения чувствительности пьезоэлемент набирают из n – пластин, которые механически соединяют последовательно, а электрически – параллельно. В этом случае при действии той же самой силы РХ чувствительность будет равна:

                                             d1 

                               S' = ---------------,   (В/Н)                             ( 5 )

                                         C + Co/n 

4. Исходные данные и задание для расчета.

1. Пользуясь формулами (1) - (5), определить напряжение между обкладками пьезоэлемента  в форме диска диаметром  D и толщиной  δ при воздействии силы  Px.  Емкость присоединяемой к элементу схемы  Co.  Диск  выполнен из турмалина с пьезомодулем  d1  и относительной диэлектрической проницаемостью εr.

2. Какова чувствительность пьезоэлемента?

3.  Как изменится чувствительность, если использовать шестиэлементный (n = 6) пьезоэлемент?

                                                                                                      Таблица № 1

Результаты вычислений сведите в таблицу 2:

5. Содержание отчета.

             Отчет должен содержать:

1. Схемы продольного и поперечного пьезоэффекта, кристалл кварца с кристаллографическими осями, эквивалентную схему пьезоэлемента;
2. Основные определения;
3. Расчет напряжения и чувствительности пьезоэлемента;
4. Таблицу результатов расчета.
5. Ответы на контрольные вопросы.

6. Контрольные  вопросы.

1. Что такое кристаллографические оси?
2. Что представляет собой пьезоэлемент?
3. Для чего применяются пьезоэлементы?

П Р А К Т И Ч Е С К А Я     Р А Б О Т А    №   6

       " РАСЧЕТ  ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ  ОПОРЫ, НАГРУЖЕННОЙ

                                     РАДИАЛЬНЫМИ  СИЛАМИ"

                                                    1. Цель  работы.

         Целью  настоящей работы является ознакомление с конструкцией цилиндрических опор, их назначением, видами нагружения и методом расчета опоры,

нагруженной радиальными силами.

                                               2. Содержание работы.

1. Ознакомиться с методическим указаниями к работе.
2. В соответствии с индивидуальным вариантом задания рассчитать параметры цилиндрической опоры.
3. Сделать проверочный расчет опоры на перегрев.
4. Составить отчет по работе.
5. Ответить на контрольные вопросы.

                                         3. Методические  указания.     

         Из опор скольжения  наиболее широко используются цилиндрические опоры. Они просты по конструкции, имеют малые размеры и массу, могут воспринимать значительные нагрузки как радиальные, так и осевые, надежно работают в условиях вибрации и ударов. К недостаткам этих опор следует отнести невысокую точность направления и центрирования оси вследствие радиальных зазоров, довольно большой момент трения.

         Опора состоит из охватываемой детали (конец вала или оси), называемой

цапфой, или шипом, и охватывающей детали – подшипника. Если опора воспринимает только осевую нагрузку, то опорная поверхность вала называется

пятой, а сама опора - подпятником. 

          Материалом для  изготовления цапф служат инструментальные стали

У8А, У10А, У12, Ст35, Ст45, Ст50, Ст60, термически обработанные стали до

твердости НRC 55-62; кобальто-вольфрамовые сплавы, нержавеющие стали типа 1Х18Н9Т, титан ВТ1 или ВТ4, а также немагнитные сплавы типа 40КНХМ.

          Чтобы снизить трение в опоре для подшипника и цапфы выбирают разно-

родные материалы, поэтому подшипники обычно изготовляют из латуни :

ЛМц58-2-2, ЛКС80-3-3, ЛАЖ60-1-1Л,  фосфористой бронзы БрОФ10-1, бериллиевой бронзы БрБ2, БрБ2,5, нейзильбера МНЦ15-20, и некоторых других сплавов (КНЦ, ЦАМ).

          Для уменьшения трения и износа в точных приборах применяют опоры на

камнях, изготовляемых из природных и искусственных минералов (агата, руби-

на, корунда, сапфира). В настоящее время в приборостроении для изготовления

подшипников широко применяются пластмассы и металлокерамика. Подшипники из пластмасс могут работать без смазки, мало изнашиваются, хорошо работают в условиях вибрации. Наиболее широко используются капрон, фторопласт-4, нейлон. Для снижения трения в пластмассу добавляют дисульфид молибдена, тальк или графит. Металлокерамические подшипники изготовляют спеканием из порошков бронзы, железа. Такие подшипники, пропитанные маслом или графитовой смазкой, хорошо работают в условиях высокого вакуума и при высоких температурах.

           Сопряжение цапф с подшипником выполняется по посадке Н7/f7,  H8/f8

или  H9/f9. Шероховатость поверхности  Rz  ≤ 0,2 ÷ 0,8 мкм. Расчет цилиндрической опоры заключается в нахождении момента трения и геометрических размеров, определяемых из условия обеспечения достаточной прочности и износоустойчивости.

Для опоры, нагруженной радиальной силой (см.рис.1),

условие прочности на изгиб имеет следующий вид:

                                        Ми

                             σи  = ------- ≤ [ σи ]                                     ( 1 )

                                        Wи

где  σи       - нормальное напряжение при изгибе;