< Serge77 - Моя ракетная мастерская >

Translate in English with Babel Fish

Аппаратура стенда состоит из датчика, генератора и магнитофона.

Описанный здесь вариант расчитан на нагрузку до 40 кг. Конструкция датчика практически идентична описанной ранее. Изменено болтовое крепление.

Составные части датчика, расположены в порядке сборки:

1. Четыре болта М6 с шайбами и гайками. Крепление должно быть максимально прочным, чтобы не допустить смещение пластин во время работы.

2. Наружные прокладки. У меня они такие же, как и средняя прокладка (4), но это необязательно. Прокладки должны быть достаточно толстые и жёсткие, чтобы обеспечить надёжный прижим пластин датчика. Размер 16х60 мм, толщина 1.5 мм. Отверстия возле краёв не нужны.

3. Наружные пластины конденсатора. Их толщина и размер определяют рабочий диапазон нагрузок датчика. Эти пластины изготовлены из нержавеющей стали, имеют толщину 2 мм, размер 34х96 мм, рабочий диапазон до 40 кг. Пластины предыдущего датчика имели те же размеры, но толщину 1 мм, рабочий диапазон до 7 кг. По центру каждой пластины приклеены текстолитовые брусочки, они служат для упора датчика в двигатель и стенд.

4. Внутренние прокладки. Их толщина вместе с толщиной центральной пластины (5) определяет зазор между пластинами конденсатора. Здесь толщина прокладки 1.5 мм, а толщина центральной пластины (5) 1 мм, значит, получается два зазора по 0.25 мм.

5. Центральная пластина. Толщина её 1 мм, но может быть любая, главное - это соотношение её толщины и толщины внутренних прокладок, как описано выше. Размер 33х60 мм, он определяет ёмкость конденсатора. К торцу этой пластины заранее припаивается отрезок провода, к которому после сборки будет присоединяться кабель. Можно сразу припаять кабель. Место пайки шлифуется, чтобы оно не было толще, чем сама пластина. На короткие стороны пластины приклеиваются полоски резины, которые будут удерживать центральную пластину ровно по центру между наружными. Резина должна быть немного толще, чем зазор между пластинами, чтобы её сжало при сборке датчика. Центральная пластина удерживается внутри датчика только этими резинками, она должна больше ничего не касаться.

Все пластины должны быть ровными, с гладкой поверхностью. Размеры, приведённые здесь, можно изменять в довольно широких пределах, однако нужно учитывать некоторые ограничения. Намного уменьшать пластины нельзя, потому что получится конденсатор со слишком маленькой ёмкостью. Увеличивать пластины можно, сохраняя соотношение сторон центральной пластины в пределах 1:2...1:3. Увеличение зазора между пластинами нежелательно, потому что это уменьшает ёмкость конденсатора. Однако если увеличить зазор и во столько же раз увеличить площадь пластин, то ёмкость останется неизменной.

Порядок сборки. На болты устанавливаются шайбы:

Одеваются две наружные прокладки:

Устанавливается наружная пластина (снизу на ней приклеен текстолитовый брусок):

Одеваются внутренние прокладки:

Устанавливается центральная пластина. Она свободно ложится на резинки между внутренними прокладками:

После этого устанавливается вторая наружная пластина, две наружные прокладки, шайбы, затем равномерно с максимальным усилием навинчиваются гайки. Датчик в сборе:

Кабель, соединяющий датчик с генератором, должен быть коротким и иметь минимальную ёмкость. Сначала я поставил кабель толщиной 2.5 мм, но оказалось, что ёмкость отрезка в 20 см равна 100 пФ, что составляет половину ёмкости датчика, а значит этот кабель загрублял точность стенда в полтора раза. Поэтому я установил кабель толщиной 5 мм, его длина 17 см. Сердцевина кабеля припаивается к средней пластине, а оплётка - к наружной. Кроме пайки, кабель прочно закрепляется на датчике. Для соединения с генератором используется штекер от стереоразъёма. Сердцевина кабеля припаивается к внутренней жиле штекера, а оплётка - к наружной. Средняя и наружная жилы штекера закорачиваются. Для чего это нужно будет объяснено в разделе о генераторе.

После припайки кабеля датчик осматривается, весь мусор удаляется, особенно тщательно нужно очистить щели между пластинами. В щели помещаются прокладки из жёсткой и прочной плёнки толщиной 0.1 мм. Я использовал лавсановую плёнку для печати на лазерном принтере. Эти прокладки немного увеличивают ёмкость конденсатора и предотвращают закорачивание пластин при чрезмерной нагрузке. Прокладки должны покрывать всю площадь пластин и на 1-2 мм выступать наружу по бокам. После этого скотчем заклеиваются щели и обматываются пластины, чтобы предотвратить попадание пыли и мусора в полевых условиях.

Ёмкость датчика без прокладок и кабеля 178 пФ, с прокладками 226 пФ, с кабелем 242 пФ.

Готовый датчик:

Принципиальная схема:

IC1 - таймер NE555N (документация, 114 КВ)
C1 0.1 мкФ
C2 электролит 10 мкФ
C3 0.01 мкФ
R1 5.6 КОм
R2 330 КОм
J1 гнездо стереоразъёма, выход генератора. Вывод 1 - наружная жила гнезда, вывод 2 - внутренняя жила.
J2 разъём питания. Вывод 1 - "минус", вывод 2 - "плюс".
J3 гнездо стереоразъёма, вход с датчика. Вывод 1 - внутренняя жила гнезда, вывод 2 - средняя жила, вывод 3 - наружная жила. В момент присоединения датчика происходит закорачивание выводов 2 и 3, потому что в штекере датчика средняя и наружная жилы закорочены. При этом происходит подача питания и включение генератора. Таким образом, стал ненужным отдельный выключатель и исчезла вероятность забыть включить генератор перед самым ответственным испытанием.

Питание - батарея Duracell Alkaline 9V.

Схема для разводки платы нарисована в программе Eagle 4.11:

Эти схемы в формате Eagle можно загрузить здесь. Очень удобную бесплатную программу Eagle можно взять здесь: www.cadsoft.de

Я спаял генератор на макетной плате:

Плата вместе с постоянно присоединённой батареей помещена в корпус, который изнутри экранирован алюминиевой фольгой, соединённой с "минусом" схемы. Готовый генератор видно на первой фотографии.

Кабель, соединяющий генератор с магнитофоном, должен быть не очень длинным и иметь небольшую ёмкость. При подключении кабеля толщиной 2.5 мм и длиной 5 м генератор переставал работать (ёмкость кабеля 1819 пФ). С кабелем толщиной 5 мм и длиной 3 м работает (ёмкость кабеля 161 пФ). На кабеле два штекера от стереоразъёма, к внутренним жилам штекеров присоединена сердцевина кабеля, к наружным - оплётка.

Для записи сигнала, поступающего с генератора, используется диктофон под стандартную кассету, который немного "модифицирован". Диктофон нужно вскрыть и найти место на плате, где припаяны выводы от микрофона. На снимке - это белая площадка с надписью MIC справа от неё. Провода, идущие от микрофона, нужно отпаять, на снимке они видны - справа от площадки двужильный бело-синий провод, загнутый под плату. Выводы на плате подписаны "+" и "-", на фотографии подписи почти полностью закрыты выводами верхнего припаянного резистора.

Поскольку на выходе генератора напряжение изменяется от 0.3 до 7 В, его нужно понизить, чтобы максимум не превышал 0.1 В, приемлемых для микрофонного входа. Для этого между контактами микрофонного входа припаивается резистор 510 Ом, на снимке - зелёный, верхний. Между "плюсовым" контактом микрофонного входа и гнездом стереоразъёма (внутренняя жила) припаивается резистор 36 КОм, на снимке - красный, слева. Наружная жила стереоразъёма соединяется с "минусом" микрофонного входа. Мне удалось поместить резисторы прямо на плате диктофона, а стереоразъём пришлось приклеить снаружи. Резисторы со всех сторон изолированы скотчем.

Для калибровки необходимо накладывать на датчик грузы различного веса и измерять при этом частоту генератора. Измерять можно соответствующим прибором, а можно записать сигнал на магнитофон, а затем обработать программой, как описано ниже, и получить значения частоты, соответствующие каждому грузу. Желательно получить не меньше десятка таких точек и чтобы они были равномерно распределены по всему диапазону измеряемой нагрузки. После этого точки наносятся на график, например в Excel, и определяется диапазон нагрузок, для которого зависимость нагрузка - частота является близкой к линейной. Обычно линейность теряется, когда частота генератора опускается ниже половины начальной частоты. Если одна-две точки выбиваются из общего ряда, их лучше выкинуть или провести калибровку заново. Если обработка результатов стендовых испытаний будет проводиться программой Trust_meter, которая описана ниже, то на этом калибровка закончена.

Если предполагается самостоятельный расчёт, то для линейного диапазона строится линейная корреляция, по которой в дальнейшем переводят частоту генератора в нагрузку на датчике, т.е. в тягу. Для большей точности, особенно в диапазоне малых нагрузок, можно построить нелинейную корреляцию, например квадратичную или кубическую, как показано на рисунке:

Для измерения тяги датчик нужно установить на стенд между двигателем и хорошим упором. Для датчика на 40 кг я использую горизонтальный стенд (здесь ещё недоделанный датчик и генератор):

Для датчика на 7 кг под гильзовые двигатели я использую вертикальный стенд (здесь другой генератор):

 Полученную магнитофонную запись нужно ввести в компьютер и оцифровать. Для этого магнитофонный выход на наушники соединяется с линейным входом звуковой карты компьютера кабелем с двумя стереоразъёмами на концах. Запись ведётся любым звуковым редактором, я использую WaveLab. При записи нужно установить такие параметры: 16 бит стерео, максимальная частота оцифровки, обычно это 44.1 кГц. Из полученного файла с помощью редактора нужно вырезать короткие участки, соответствующие испытаниям, и сохранить каждый участок в отдельном файле. Для дальнейшей обработки используется программа Trust_meter, которую написал Piroman. Программу можно взять на его страничке или на запасной страничке. Нужно скачать файлы trust.exe (программа), trust_meter.sns (файл калибровки датчика) и 1.wav (образец записи тяги), затем запустить trust.exe, распакуется архив. Файл trust_meter.sns нужно записать в тот же каталог, где установлена программа.

Файл калибровки может содержать данные для одного или нескольких датчиков, он имеет такой вид (после заголовка):

START
1 10590 42.153 10kg
1 11920 5.886
2 12082 0 serg
2 11992 3.30597
2 11920 5.886
2 11826 9.19197
2 11728 12.28212
2 12008 2.52117
2 11611 15.64695
2 11104 28.81197
2 10590 42.15357
2 10080 54.41607

Здесь в первой колонке - номер датчика, во второй - частота генератора, в третьей - нагрузка на датчик в Ньютонах. В четвёртой колонке один раз записывается название датчика, по которому в дальнейшем в программе можно будет его выбрать как рабочий. Видно, что в этом файле записана калибровка двух датчиков - датчик 1 с названием "10kg" и датчика 2 с названием "serg". Напомню, что для одного датчика желательно иметь не меньше 10 точек.

 Использование программы. После запуска нужно выбрать используемый датчик в выпадающем списке. Затем открыть wav-файл с записью теста (кнопка "Источник"), при этом сразу появляется профиль тяги. По умолчанию программа делает расчёт с дискретностью 100 точек в секунду (это называется "Точность 0.01 сек"). Если шумы на графике слишком сильные, можно увеличить интервал до 0.02 сек или больше, нажимая кнопку "Пересчитать" для обновления картинки. График можно растягивать с помощью левой кнопки мыши и перемещать с помощью правой. Для изменения масштаба можно также использовать кнопки, находящиеся рядом с правым нижним углом графического поля. Нужно поставить птичку в поле "Слежение мыши", после этого можно легко видеть значение любой точки графика, над которой находится курсор мыши. Двойной щелчок мыши фиксирует текущие значения координат в текстовом поле.

Расчёт параметров двигателя. Заполнение полей под графиком: нажать кнопки "Начало тяги", "Конец тяги", "Линия нуля", ввести в поле "Линия нуля" значение частоты, которая соответствует нулевой линии для текущего графика, нажать кнопку "Освежить картинку", появится красная нулевая линия. Затем поставить птичку в поле "В Ньютонах" и "Компенсация 0", ввести данные в поля "Начало тяги" и "Конец тяги". Справа от графика ввести данные в поле "Вес заряда" (это необязательно), нажать кнопку "Расчёт", поставить птичку в поле "на график". После этого можно распечатать полученный график или сохранить его в виде графического файла (меню Файл - Сохранить картинку). Расчитанные данные частоты и тяги можно сохранить в текстовом файле (меню Файл - Экспорт результатов) для обработки в какой-нибудь другой программе.