close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...образовательного учреждения, пути движения;pdf

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Бийский технологический институт (филиал)
федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
С.С. Хмелев, Р.В. Барсуков, А.Н. Сливин
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
В УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Методические рекомендации к лабораторным работам по курсу
«Информационные системы в ультразвуковых технологиях» для студентов направления
09.03.02 (230400.62) «Информационные системы и технологии»
Бийск
Издательство Алтайского государственного технического
университета им. И.И. Ползунова
2014
УДК 004:534(0.76)
Х65
Рецензент: В.Н. Беляев, к. т. н., доцент кафедры МРСИ БТИ АлтГТУ
Х65
Хмелев, С.С.
Информационные системы в ультразвуковых технологиях: методические рекомендации к лабораторным работам по курсу «Информационные системы в ультразвуковых технологиях» для студентов направления 09.03.02 (230400.62) «Информационные системы и технологии» / С.С. Хмелев, Р.В. Барсуков, А.Н. Сливин;
Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2014. – 18 с.
В методических рекомендациях сформулированы цели и задачи лабораторных
занятий по курсу «Информационные системы в ультразвуковых технологиях», приведены тематика лабораторных занятий, краткие теоретические сведения и даны
рекомендации студентам по выполнению лабораторных работ.
УДК 004:534(0.76)
Рассмотрены и одобрены
на заседании кафедры МСИА.
Протокол № 26 от 24.01.2014 г.
© Хмелев С.С., Барсуков Р.В.,
Сливин А.Н., 2014
© БТИ АлтГТУ, 2014
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ......................................................................................................................................... 4
Лабораторная работа № 1. Знакомство с принципами работы УЗ аппаратов
и реализуемыми ими технологическими процессами ............................................................... 4
Лабораторная работа № 2. Измерение собственных резонансных частот и амплитуды
пьезоэлементов и пьезоэлектрических преобразователей ........................................................ 4
Лабораторная работа № 3. Измерение КПД ультразвуковых
технологических аппаратов.......................................................................................................... 6
Лабораторная работа № 4. Расчет концентратора УЗ колебаний и его 3D-реализация
средствами CAD-системы «КОМПАС»...................................................................................... 7
Лабораторная работа № 5. Моделирование узлов ультразвуковых колебательных
систем при помощи метода конечных элементов .................................................................... 10
Лабораторная работа № 6. Определение добротности пьезоэлектрических
резонаторов с помощью эквивалентных электрических схем в системе «MicroCap» ......... 12
Лабораторная работа № 7. Измерение акустических характеристик различных
материалов и ознакомление с принципами акустических измерений ................................... 14
Лабораторная работа № 8. Разработка программы для определения основных
резонансных характеристик ультразвуковых колебательных систем ................................... 15
Приложение А. Основы работы в системе «MicroCap» .......................................................... 16
Литература ................................................................................................................................... 17
3
ВВЕДЕНИЕ
Развитие общества и удовлетворение растущих потребностей производств и потребителей невозможно без создания новых и совершенствования существующих технологий,
создания новых материалов и веществ, придания известным материалам новых свойств.
При всем многообразии существующих на сегодняшний день подходов наиболее эффективно вопросы ускорения процессов решаются за счет использования новых видов энергии и высокоэффективного подведения энергии к взаимодействующим веществам, поэтому одним из перспективных направлений создания новых и интенсификации существующих процессов химических и смежных технологий является использование энергии
ультразвуковых колебаний высокой интенсивности.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ЗНАКОМСТВО С ПРИНЦИПАМИ РАБОТЫ
УЗ АППАРАТОВ И РЕАЛИЗУЕМЫМИ ИМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ
Теоретические сведения
Производственные технологии, основанные на интенсификации технологических
процессов ультразвуковыми (УЗ) колебаниями высокой интенсивности, находят широкое
применение в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве. При этом растущие
потребности промышленного производства и потребителей обуславливают необходимость постоянного совершенствования технологических процессов, что приводит к активному развитию и совершенствованию всех элементов ультразвуковых технологических аппаратов.
Цель работы: знакомство с основными технологическими процессами, реализуемыми или интенсифицируемыми при помощи ультразвуковых колебаний, и получение навыков работы с ультразвуковыми технологическими аппаратами.
Используемая аппаратура:
– УЗ аппарат «Волна» УЗТА-0,4/22;
– УЗ аппарат «Волна» УЗТА-1/22;
– УЗ аппарат «Гиминей» УЗТА-0,4/22;
– УЗ аппарат «Сапфир» УЗТА-0,4/22;
– УЗ ингалятор «Муссон-1».
Задание на лабораторную работу
1. По прилагаемой литературе (паспорта на используемые аппараты) ознакомиться
с принципами работы ультразвуковых аппаратов и их функциональным назначением.
2. При помощи преподавателя из имеющегося оборудования собрать стенды для проведения исследований.
3. На имеющемся оборудовании произвести наблюдение физических процессов
в жидкости при УЗ воздействии (кавитация, потоки, нагрев), при УЗ сварке термопластичных материалов и получении мелкодисперсных аэрозолей.
4. Дать объяснение протекающим процессам и провести анализ полученных результатов.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ИЗМЕРЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ
РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ И АМПЛИТУДЫ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ
И ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Теоретические сведения
В пьезоэлектрическом преобразователе в качестве активного элемента используются
материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами.
При взаимодействии внешнего поля с дипольными моментами пьезоэлектрического
материала происходит перемещение ионов в кристалле, т. е. его деформация. Явление деформации кристаллов под действием электрического поля называется обратным пьезо4
электрическим эффектом. При деформации кристалла изменяется расположение ионов,
что приводит к изменению величины и направления дипольного момента. При этом на
поверхности кристалла появляются заряды. Возникновение зарядов на поверхности кристалла при давлении на него называется прямым пьезоэлектрическим эффектом.
Таким образом, если к граням пластинки из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, приложить переменное электрическое напряжение высокой частоты,
то она будет совершать механические колебания (изменять геометрические размеры), следуя изменению приложенного электрического поля.
Пьезоэлектрические материалы – это кристаллические соединения, окислы и соли,
как правило, содержащие специальные примеси, – достаточно широко распространены
в природе в виде естественных минералов (кварц, турмалин и др.). Из большого числа материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами самым известным является
кварц. Однако в настоящее время излучатели из кварца не находят широкого применения
в ультразвуковых установках из-за его дефицитности, высокой стоимости и сравнительно
низкого пьезомодуля.
В большинстве важных для практики случаев использование природных пьезоэлектрических материалов нецелесообразно из-за малой механической прочности, гигроскопичности, высокой стоимости и т. п. Поэтому на практике используются специальные материалы, синтезируемые в лабораторных условиях или промышленными методами (пьезокерамические материалы из титаната бария, цирконата титаната свинца и т. п.).
Цель работы: исследование процессов формирования ультразвуковых механических
колебаний пьезоэлектрическими элементами и измерение основных параметров пьезоэлементов и колебательных систем на основе пьезоэлементов.
Используемая аппаратура:
– перестраиваемый генератор сигналов типа Г3-112;
– осциллограф С1-55;
– пьезоэлектрический щуп с точечным контактом;
– соединительные элементы;
– пьезоэлектрические элементы;
– пьезоэлектрические преобразователи.
Задание на лабораторную работу
1. По прилагаемым теоретическим сведениям ознакомиться с принципами работы
пьезоэлектрических материалов.
2. С помощью преподавателя собрать стенд для проведения исследований, ознакомиться с правилами работы, включить и настроить измерительные приборы.
3. Подключить к генератору с помощью соединительного кабеля и электрических
разъемов типа «крокодил» пьезоэлемент диаметром 50 мм, приемник ультразвуковых колебаний подключить к вольтметру и, плавно изменяя частоту генератора электрических
колебаний от 20 до 200 кГц, определить резонансные частоты пьезоэлемента по максимальной амплитуде регистрируемых вольтметром сигналов. Полученные результаты
представить в виде таблицы и построить график зависимости амплитуды регистрируемых
колебаний от частоты генератора (построить амплитудно-частотную характеристику пьезоэлемента).
4. Провести измерения основных резонансных частот всех предложенных пьезоэлементов и ультразвуковой колебательной системы.
5. Подключить к измерительному стенду пьезоэлемент диаметром 50 мм, настроить
генератор на низшую резонансную частоту и измерить амплитуды колебаний при изменениях частоты генератора в обе стороны от резонанса через каждые 500 Гц (не менее 3–
4 измерений).
Полученные результаты представить в виде амплитудно-частотной характеристики.
6. Вновь настроить генератор на низшую резонансную частоту пьезоэлемента и,
перемещая приемник с точечным контактом вдоль линии поверхности пьезоэлемента,
5
проходящей через его центр, измерить амплитуды колебаний. Повторить измерения вдоль
второй линии, перпендикулярной первой.
Результаты представить в виде графика зависимости амплитуды колебаний от диаметра пьезоэлемента.
7. Оформить результаты измерений в виде отчета и представить преподавателю.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. ИЗМЕРЕНИЕ КПД УЛЬТРАЗВУКОВЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Теоретические сведения
Для определения коэффициента полезного действия ультразвукового технологического оборудования необходимо измерить электрическую мощность (потребляемую от
сети питания) и акустическую мощность (вводимую в обрабатываемую дисперсную среду
с жидкой фазой).
Измерение электрической мощности производится при помощи измерителя качества
напряжения питания, например МТ-1010 или аналогичный. Измерение вводимой акустической мощности проводится согласно п. 7.2.1 ГОСТ 27955, а именно калориметрическим
методом.
При калориметрическом методе измерений акустической мощности в качестве
нагрузки используют жидкость, которой заполняют технологическую емкость. Процедура
измерения заключается в следующем: включают ультразвуковой технологический аппарат
с погруженной в жидкость излучающей частью ультразвуковой колебательной системы
и измеряют изменение температуры (Т2 – Т1) в жидкости за время работы τ. Вводимую
акустическую мощность рассчитывают по формуле:
2
1
,
(3.1)
где с – удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг⋅К); m – масса жидкости, кг.
Для гарантии приемлемой точности метода необходимо выполнять следующие
условия:
– интервал времени τ не должен превышать 20–30 с;
– температура Т1 в момент включения ультразвукового технологического аппарата
не должна отличаться от температуры окружающей среды более чем на 3–5 ºС;
– метод неприменим, когда подъем температуры воды в технологической емкости
в течение 20–30 с работы ультразвукового технологического аппарата меньше 1 ºС.
Цель работы: исследование процессов поглощения энергии УЗ колебаний в обрабатываемых средах.
Используемая аппаратура:
– УЗ аппарат;
– измеритель мощности;
– термометр;
– ПК.
Задание на лабораторную работу
1. По предлагаемым теоретическим сведениям ознакомиться со стандартным методом
измерения КПД ультразвуковых технологических аппаратов.
2. С помощью преподавателя собрать стенд для проведения исследований, ознакомиться с правилами работы, включить и настроить генератор и источник питания.
3. Налить с помощью мерительного стакана в рабочий объем 100 мл воды, измерить
начальную температуру воды термометром, включить генератор путем подачи на него питающего напряжения от источника постоянного тока и обработать воду в течение 60 с.
После обработки измерить температуру воды. Измерения повторить последовательно
5 раз, считая исходной температуру второго измерения, конечной температуру первого
измерения и так далее. Результаты измерений представить в виде таблицы.
6
4. При обработке жидкостей в каждом измерении фиксировать по показаниям индикаторов источника постоянного тока напряжение питания генератора и потребляемый ток.
5. Поглощаемую жидкостью акустическую мощность определить по формуле (3.1).
6. Определить КПД используемого технологического аппарата.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАТОРА УЗ КОЛЕБАНИЙ
И ЕГО 3D-РЕАЛИЗАЦИЯ СРЕДСТВАМИ CAD-СИСТЕМЫ «КОМПАС»
Теоретические сведения
Концентраторы ультразвуковых колебаний являются обязательной частью колебательных систем в различных ультразвуковых установках. Их основное назначение – увеличение амплитуды ультразвуковых колебаний, получаемых с помощью преобразователей. В общем случае они представляют собой стержни переменного сечения, присоединяемые к преобразователю более широким концом.
Принцип действия концентраторов основан на увеличении амплитуды колебательного смещения частиц стержня вследствие уменьшения его поперечного сечения в соответствии с законом сохранения движения. На малом выходном сечении скорость понижается,
следовательно, амплитуда смещения получается больше, чем на большом входном сечении стержня. Таким образом, концентратор можно рассматривать как волновод, работающий на резонансной частоте, поэтому длина концентратора l должна быть резонансной,
т. е. кратна целому числу полуволн. При заданной частоте длина волны в концентраторе λ
зависит от формы концентратора вследствие дисперсии скорости распространения ультразвуковых волн в волноводах с переменным сечением.
Во многих работах по ультразвуку было показано, что более совершенными конструктивными формами обладают составные концентраторы. Особенно перспективными
из них являются ступенчатые концентраторы с плавными переходами (например, переходным экспоненциальным участком).
Общий вид составного ступенчато-радиального концентратора представлен
на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Общий вид составного ступенчато-радиального концентратора
Для расчета ступенчатых концентраторов такого вида Носковым Н.С. была предложена методика расчета с использованием графических зависимостей и номограмм. На рисунке 4.2 приведены зависимости коэффициента усиления K от безразмерных параметров
n1 и n2, определяющих длины l1 и l2 входного и выходного участков концентратора для
различных значений N = D1 / D2 диаметров его ступеней.
7
Рисунок 4.2 – Диаграмма для расчета концентраторов
Расчет размеров концентратора сводится к графическому определению для заданного
значения K параметров n1 и n2 по кривым K = F(n1, n2), соответствующим наиболее подходящей величине N = D1 / D2.
Параметры n1 и n2 связаны с длинами l1, lz и l2 следующими соотношениями:
1
2
1,
,
2
2
2
2
В большинстве случаев для получения максимального коэффициента усиления концентратора длины l1 и l2 принимаются равными.
Для эффективной работы концентраторов важен не только правильный расчет их
размеров, но и выбор материалов с минимальными потерями. Согласно большинству исследований наиболее подходящим материалом для изготовления концентраторов являются титановые сплавы.
Цель работы: получение навыков расчета ультразвуковых концентраторов и создания твердотельных моделей средствами системы автоматизированного проектирования.
Используемая аппаратура: персональный компьютер с необходимым программным
обеспечением.
Задание на лабораторную работу
Варианты заданий по расчету концентраторов УЗ колебаний приведены в таблице 4.1.
8
Таблица 4.1 – Задание на лабораторную работу
Номер варианта
D1, мм
1
50
2
50
3
50
4
38
5
38
6
25
N
1,66(6)
2
2,5
2,375
2
1,66(6)
Порядок выполнения работы
1. Получить от преподавателя задание на разработку концентратора ультразвуковых
колебаний.
2. При помощи диаграммы для расчета концентраторов (см. рисунок 4.2) определить
безразмерные параметры n1 и n2.
3. Используя расчетные формулы, найти соответствующие длины концентратора l1, lz
и l2. Скорость звука для титанового сплава принять равной с = 4950 м/с. Расчетная частота
для всех концентраторов – 22000 Гц.
4. Повторите п. 3 для концентратора, выполненного из титанового сплава.
5. Используя CAD-систему «КОМПАС» и имеющиеся значения длин концентратора,
построить эскиз концентратора с параметрическими размерами.
6. Построить средствами 3D-моделирования твердотельную модель концентратора.
Для построения необходимо выполнить следующую последовательность действий.
6.1. Выберите в основном меню: Файл–Создать–Деталь.
Выберите плоскость построения эскиза (предположим, что выбрана плоскость XY)
(рисунок 4.3).
Рисунок 4.3 – Построение эскиза
6.2. Постройте эскиз по полученным значениям размеров и примените к нему операцию вращения (рисунок 4.4).
9
Рисунок 4.4 – Выполнение тела вращения
7. Проведите анализ полученных результатов.
8. Оформите результаты лабораторной работы в виде отчета и сдайте преподавателю.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ УЗЛОВ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ
КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПОМОЩИ МЕТОДА
КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Теоретические сведения
Используемые методики инженерного расчета составных узлов колебательных систем являются приближенными, так как не учитывают кольцевой формы пьезокерамических элементов, моментов предварительного сжатия пьезоэлементов, необходимости выполнения различных технологических лысок, резьбовых соединений, крепежных узлов на
составляющих УЗКС, а также условий крепления УЗКС в корпусе или рабочей камере.
Для более точного расчета пользуются прямыми численными методами. Лидирующее
положение среди численных методов, применяемых при расчете составных пьезоэлектрических преобразователей, занимает метод конечных элементов (МКЭ).
Анализ разработанных 3D-моделей деталей методом конечных элементов (МКЭ)
в настоящее время является фактически международным стандартом при проведении различных расчетов. Метод заключается в представлении геометрии любого деформируемого тела в виде множества взаимосвязанных простых геометрических элементов: треугольников, прямоугольников и др. Элементы могут быть одномерными, плоскими, пространственными с прямолинейными или криволинейными сторонами.
10
Цель работы: получение навыков моделирования твердотельных моделей
в CAE-системе с целью нахождения собственных резонансных частот узлов ультразвуковых колебательных систем.
Используемая аппаратура: ПК с необходимым программным обеспечением.
Задание на лабораторную работу
Твердотельные 3D-модели, полученные на лабораторной работе № 4.
Порядок выполнения работы
1. Файл твердотельной модели концентратора средствами CAD-системы преобразовать в формат CAE-системы (*x_t).
2. Создать проект и установить физический тип задачи в CAE-системе; экспортируйте
созданную геометрическую модель (рисунок 5.1).
Рисунок 5.1 – Загрузка твердотельной модели в CAE-систему
3. Выбрать необходимый материал объекта из библиотеки материалов и задать его
для модели (рисунок 5.2).
Рисунок 5.2 – Подключение материалов к проекту
11
4. Выбрать и задать тип конечного элемента, задать граничные условия для расчета
(рисунок 5.3).
Рисунок 5.3 – Последовательность расчета
5. Найти собственные резонансные частоты концентратора.
6. Найти и записать собственную резонансную частоту продольных колебаний концентратора.
7. Сравнить полученные модельные значения собственной резонансной частоты
концентратора с расчетной частотой.
8. Внести необходимые корректировки в длины l1 и l2 твердотельной модели с целью
получения расчетной частоты.
9. Провести анализ полученных результатов.
10. Оформите результаты лабораторной работы в виде отчета и сдайте преподавателю.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОБРОТНОСТИ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ С ПОМОЩЬЮ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ В СИСТЕМЕ «MICROCAP»
Теоретические сведения
Схемы замещения пьезоэлектрических элементов (ПЭ) строят на основе теории электромеханических аналогий, которая базируется на подобии дифференциальных уравнений, описывающих динамические процессы в механических и электрических системах.
Упрощенную систему замещения ПЭ можно представить в виде двухполюсника,
представленного на рисунке 6.1, где С0 – электрическая емкость керамики, Lm, RM, CМ –
электрические аналоги, характеризующие соответствующую колебательную систему.
12
LМ
RМ
CМ
ZМ
C0
ZЭ
Рисунок 6.1 – Простейшая схема замещения пьезоэлектрических элементов
Отношение полного запаса энергии, накапливаемого в колебательной системе, к энергии, отдаваемой на преодоление потерь, называется механической добротностью Q. Добротность колеблющейся системы может быть определена по ее резонансной кривой (рисунок 6.2) по следующей формуле:
0
2
(6.1)
1
I, A
Imax
0,7*Imaх
f1 fo f2
f, Гц
Рисунок 6.2 – Определение добротности колеблющейся системы по резонансной кривой
Добротность эквивалентной электрической схемы пьезоэлектрического резонатора
также может быть определена по следующей формуле:
(6.2)
Цель работы: определение механической добротности пьезоэлектрических резонаторов. Исследование влияния величины активных потерь на механическую добротность
пьезоэлектрических резонаторов на базе эквивалентных электрических схем.
Используемая аппаратура: ПК с необходимым программным обеспечением.
Задание на лабораторную работу
1. В редакторе «MicroCap» нарисовать схему, представленную на рисунке 6.3.
Для данной схемы принять С0 = 1,82 нФ, Lm = 1 мГн. Значение CМ подобрать в соответствии с формулой:
1
,
2 √
где f – резонансная частота механической системы (принять равной 20000 Гц). Основы
работы в системе «MicroCap» приведены в Приложении А.
13
2. Средствами MicroCap построить семейство кривых АЧХ для тока механической
ветви, изменяя параметр RM в пределах от 10 до 50 Ом с шагом 10 Ом.
3. По полученным резонансным кривым рассчитать по формуле (6.1) добротность
электрической эквивалентной схемы.
4. Для всех значений RM, использованных для синтеза АЧХ, рассчитать значения добротности по формуле (6.2).
5. Сравнить данные, полученные при выполнении пунктов 3 и 4. Провести анализ полученных результатов.
6. Оформите результаты лабораторной работы в виде отчета и сдайте преподавателю.
Для получения АЧХ тока механической ветви в эквивалентной схеме замещения пьезоэлектрических резонаторов необходимо подключить источник синусоидального напряжения, как показано на рисунке 6.3.
G
~
Z
Рисунок 6.3 – Схема подключения исследуемого двухполюсника к источнику сигналов
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7. ИЗМЕРЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОЗНАКОМЛЕНИЕ
С ПРИНЦИПАМИ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Теоретические сведения
Акустические методы контроля относятся к основным методам неразрушающего контроля изделий. Существующие акустические методы неразрушающего контроля подразделяют на две большие группы: активные и пассивные. Активные методы контроля подразумевают под собой излучение и приём акустических волн. Пассивные методы контроля
заключаются в приёме волн, источником которых является сам объект контроля.
Цель работы: исследование процессов распространения ультразвуковых колебаний
в образцах из различных материалов и различной геометрической формы.
Используемая аппаратура:
– измеритель скорости распространения ультразвуковых колебаний УК-10ПМ;
– излучатель и приемник ультразвуковых колебаний;
– соединительные кабели;
– образцы материалов различной формы;
– измерительный инструмент;
– ПК.
Задание на лабораторную работу
1. По прилагаемой литературе (инструкция по эксплуатации) ознакомиться с принципами работы измерителя УК-10ПМ.
2. С помощью преподавателя собрать стенд для проведения исследований, ознакомиться с правилами работы, включить и настроить измеритель УК10-ПМ.
3. Измерить время распространения УЗ колебаний в предложенных образцах. С помощью измерительного инструмента (линейки и штангенциркуля) измерить длины образцов и определить скорость распространения УЗ колебаний по формуле:
Скорость = Длина образца / время распространения.
Полученные результаты представить в виде таблицы 7.1.
14
Таблица 7.1 – Результаты исследований
Материал
Диаметр образца, мм
Длина образца, м
Время, с
Скорость
измеренная
Скорость
справочная
Стеклотекстолит № 1
Стеклотекстолит № 2
Стеклотекстолит № 3
Стеклотекстолит № 4
Фторопласт Ф-4 № 1
Фторопласт Ф-4 № 2
Фторопласт Ф-4 № 3
Карболит № 1
Карболит № 2
Сталь
Эбонит
Оргстекло
4. Провести измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний
в стержневых образцах стеклотекстолита и фторопласта различного диаметра, построить
график зависимости скорости распространения колебаний от диаметра стержня и дать
объяснение полученным результатам.
5. Провести анализ полученных результатов.
6. Оформите результаты лабораторной работы в виде отчета и сдайте преподавателю.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ РЕЗОНАНСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Теоретические сведения
Контроль резонансных характеристик ультразвуковых колебательных систем является важным этапом при их производстве и последующей настройке. Обусловлено это тем,
что эффективность реализации технологических процессов определяется максимально достижимой амплитудой колебаний (значений колебательных смещений), а максимальные
значения амплитуд достигаются при возбуждении УЗКС на резонансной частоте.
Цель работы: исследование процессов распространения ультразвуковых колебаний
в образцах из различных материалов и различной геометрической формы.
Используемая аппаратура:
– ПК с требуемым программным обеспечением.
Задание на лабораторную работу:
1. Разработать и применить программу, реализующую следующие функции:
– ввод значений амплитуды и частоты;
– построение графика АЧХ;
– определение значения резонансной частоты УЗКС;
– определение добротности УЗКС.
2. Для проверки работы программы необходимо снять значения АЧХ с двух-трех
УЗКС (в диапазоне 2 кГц слева и справа от резонанса с шагом в 100 Гц) и по полученным
данным построить в программе соответствующие графики и определить добротность.
3. Провести анализ полученных результатов.
4. Оформите результаты лабораторной работы в виде отчета и сдайте преподавателю.
15
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Основы работы в системе «MicroCap»
Для рисования электрической схемы необходимо использовать компоненты, расположенные – Component\Analog Primitives\Passive Component\... Источники питания расположены – Component\Analog Primitives\Waveform Sources. Для построения АЧХ
необходимо использовать Sine Source. Для построения импульсных характеристик необходимо использовать Pulse Source. Доступ с панели управления.
Для передвижения элементов по полю использовать манипулятор типа «мышь» путем
выбора и удержания левой клавиши.
Для рисования электрических связей использовать виртуальные кнопки на панели
управления.
Построение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ)
Для построения амплитудно-частотных характеристик необходимо на панели управления выбрать Analysis\AC Analysis, при этом к электрической схеме должен быть подключен источник синусоидального сигнала. Внешний вид рабочего окна программы «MicroCap» при построении АЧХ показан на рисунке А.1.
Рисунок А.1 – Внешний вид окна построения амплитудно-частотных характеристик
В поле «Frequency Range» через запятую задается диапазон построения частотной характеристики (сначала указывается верхняя граница частоты, затем нижняя). Значения частот указывается в герцах. В поле «X Expression» необходимо ввести символ «F». В поле
«Y Expression» необходимо ввести отображаемую величину. Например: I(R1) – означает,
что будет построен ток, протекающий по элементу R1. В поле «X Expression» допускается
писать целые выражения. Например: I(R1)*U(1,2) – означает, что будет построено произведение тока протекающего по элементу R1 на напряжение между узлами схемы 1 и 2.
Для построения действительной или мнимой части исследуемого параметра необходимо пользоваться директивами Re и Im соответственно. Например: Re(I(R1)) – означает,
что будет построена действительная часть тока, протекающего по элементу R1.
Флаг «Auto Scale Ranges» должен быть установлен.
От величины параметра поля «Numbers of point» зависит качество кривых. Чем больше значение, тем качественнее кривые.
Run – начало трассировки.
16
ЛИТЕРАТУРА
1. Хмелев, В.Н. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве [Текст] / В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок,
А.В. Шалунов; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. –
400 с.
2. Хмелев, В.Н. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности
[Текст] / В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов; Алт. гос.
техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 196 с.
3. Хмелев, В.Н. Источники ультразвукового воздействия. Особенности построения
и конструкции [Текст] / В.Н. Хмелев, С.С. Хмелев, С.Н. Цыганок, С.В. Левин; Алт. гос.
техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2013. – 196 с.
17
Учебное издание
Хмелев Сергей Сергеевич
Барсуков Роман Владиславович
Сливин Алексей Николаевич
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
В УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Методические рекомендации к лабораторным работам по курсу
«Информационные системы в ультразвуковых технологиях» для студентов направления
09.03.02 (230400.62) «Информационные системы и технологии»
Редактор Малыгина И.В.
Технический редактор Богомолова О.А.
Подписано в печать 08.07.14. Формат 6084 1/8
Усл. п. л. – 2,09. Уч.-изд. л. – 2,25
Печать – ризография,
множительно-копировальный аппарат «RISO EZ300»
Тираж 40 экз. Заказ 2014-53
Издательство Алтайского государственного
технического университета
656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46
Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ
Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ
659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа