Сила - понятие и описание.

Курсовая работа

по дисциплине: «МИСИК»

на тему: «Методы и средства измерения заложенные в основу измерения сил. Гироскопический метод.»

Руководитель работы:

Федулов А.П.

Автор работы: студент гр.476

Деменев Д.Б.

г. Миасс 2014г

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ММФ-476.00.00.00 ПЗ

ОГЛАВЛЕНИЕ

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного реферата является рассмотрение основы технических измерений силы.

Достижение обозначенной цели предполагает решение следующего комплекса задач:

· Сила – определение и описание

· Понятие видов и методов измерений

· Классификация и общая характеристика средств измерений

· Гироскопическии метод.

Предметами исследования является:

· Общая характеристика объектов измерений

· Понятие видов и методов измерений

· Классификация и общая характеристика средств измерений

· Метрологические свойства и метрологические характеристики средств измерений

· Основы теории и методики измерений;

Объектом являются физические величины, методы и средства, виды измерений, методика выполнения измерений. В данной работе будет рассмотрена сила, методы и средства измерения. Разобран гироскопический метод для измерения.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ММФ-476.00.00.00 ПЗ

Сила - понятие и описание.

Сила — векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности взаимодействия тел. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нем деформаций.

Сила, как векторная величина, характеризуется модулем и направлением. Второй закон Ньютона гласит, что в инерциальных системах отсчета ускорение движения материальной точки совпадает по направлению с приложенной силой; по модулю прямо пропорционально модулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки. Или, что эквивалентно, в инерциальных системах отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна приложенной силе. Деформации являются следствием возникновения в теле внутренних напряжений.

Понятие силы использовали еще ученые античности в своих работах о статике и движении. Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед. Представления Аристотеля о силе, связанные с фундаментальными несоответствиями, просуществовали в течение нескольких столетий. Эти несоответствия устранил в XVII в. Исаак Ньютон, используя для описания силы математические методы. Механика Ньютона оставалась общепринятой на протяжении почти трехсот лет. К началу XX в. Альберт Эйнштейн в теории относительности показал, что ньютоновская механика верна лишь в при сравнительно небольших скоростях движения и массах тел в системе, уточнив тем самым основные положения кинематики и динамики и описав некоторые новые свойства пространства-времени.

С точки зрения Стандартной модели физики элементарных частиц фундаментальные взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) осуществляются посредством обмена так называемыми калибровочными бозонами. Эксперименты по физике высоких энергий, проведенные в 70−80-х гг. XX в. подтвердили предположение о том, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются проявлениями более фундаментального электрослабого взаимодействия.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ММФ-476.00.00.00 ПЗ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ММФ-476.00.00.00. ПЗ

2.Методы и средства измерения сил.

Методы измерений различных видов механических усилий имеют много общего. По виду непосредственно измеряемой величины их можно разделить на 4 группы, основанные на измерении:

- деформаций исследуемого объекта или упругого элемента, возникающих под действием определяемого усилия;

- параметров или свойства преобразователей, изменяющихся под действием определяемых усилий (электрическое или магнитное сопротивление, частота собственных колебаний);

- непосредственно свойств исследуемых объектов или сред, зависящих от действующих на них усилий (скорость распространения звука, теплопроводность газа, температура);

- усилия, уравновешивающего измеряемое усилие.

Первая группа методов наиболее широко используется для определения механических напряжений путем измерения деформации поверхности исследуемого объекта, а также в приборах для измерения сил, крутящих моментов и давлений.

Вторая группа применяется для построения средств измерений, основанных на использовании пьезоэлектрических, магнитоупругих и манганиновых преобразователей, естественной входной величиной которых является измеряемое усилие.

Прямой пьезоэлектрический эффект, заключающийся в электризации кристаллических тел под действием механических напряжений, широко используется для измерения сил и давлений. Поскольку преобразование механического напряжения в электрический заряд осуществляется с малой погрешностью(10 – 10 %), а собственная частота пьезоэлектрических датчиков достаточно высока (20 – 200 к Гц), то на их основе выпускаются весьма точные средства измерений для определения быстропеременных сил и давлений. Применение современных усилителей с высоким входным сопротивлением (R=10 Ом), усилителей заряда позволяет использовать

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ММФ-476.00.00.00. ПЗ

пьезоэлектрический эффект для измерений не только динамических, но и квазистатических усилий.

Высокими метрологическими характеристиками обладают приборы с пьезоэлектрическими резонансными датчиками, основанными на изменении частоты резонатора под действием механического усилия. Такие датчики позволяют создавать манометры с погрешностью 0.01 –0.02 %, с верхним пределом измерения (70 М Па, а также динамометры для измерения сил в диапазоне 3 * 10 – 15 Н с погрешностью 0.02 %).

Магнитоупругий эффект, заключающийся в зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных тел μ от существующих в них механических напряжений σ, используется для измерения больших сил, вращающих моментов и давлений. Магнитоупругие датчики можно применять для измерения усилий, как в статистическом, так и в динамических режимах при частотах до нескольких к Гц. Они отличаются высокой надежностью, но и малой точностью (погрешность 1 – 5 %). Нижний предел измерения определяется магнитоупругой чувствительностью материала датчика, которая для различных материалов лежит в пределах.

S=0.6…2.5 % (МПа).

Верхний предел измерения манометров и динамометров ограничивается допустимым значением механического напряжения в материале магнитоупругого преобразователя, которое не должно превышать 10 – 20 % от предела упругости данного материала. В противном случае сильно возрастают погрешности линейности и гистерезиса.

Измерение давлений с помощью манганиновых преобразователей основано на свойстве манганина - изменять свое сопротивление под действием всестороннего сжатия. Барический коэффициент манганина определяется выражением.

К==2,7 * 10Па

Поэтому такие преобразователи применяются для измерения высоких и сверхвысоких давлений (10 – 10), в частности высоких импульсных давлений.

На зависимости свойств или параметров исследуемых объектов от действующих усилий основаны ультразвуковой, термоупругий, магнитоупругий и фотоупругий методы измерений механических напряжений, тепловой и ионизационный методы измерений вакуума, интерферометрический метод измерения давлений и т. п.

Методы уравновешивания используются при построении наиболее точных средств измерений сил, вращающих моментов и давлений.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ММФ-476.00.00.00 ПЗ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ММФ-476.00.00.00 ПЗ

3.Гироскопическии метод

Гироскопический метод измерения сил основан на измерении угловой скорости прецессии рамки гироскопа, возникающей под воздействием гироскопического момента, уравновешивающего измеряемый момент или момент, создаваемый измеряемой силой. Этот метод уже нашел применение в весоизмерительной технике.

Гироскопом называется массивное симметричное тело, вращающееся с большой угловой скоростью. При обеспечении трех степеней свободы вращения гироскоп сохраняет свое положение неизменным в инерциальном пространстве, то есть абсолютно неподвижном пространстве. Вторым важным свойством гироскопа является прецессия, сущность которой заключается в следующем. Если к гироскопу приложить силу, стремящуюся его повернуть вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, то гироскоп станет поворачиваться вокруг третьей оси, перпендикулярной к первым двум. Направление этого прецессионного движения определяется по правилу: вектор кинетического момента гироскопа (главная ось гироскопа) стремится совместиться с вектором момента внешней силы по кратчайшему расстоянию.

Использование второго свойства гироскопа - прецессировать под воздействием внешней силы - позволяет первоначально ориентировать и в дальнейшем стабилизировать положение оси ротора относительно Земли. Это дает возможность определять с помощью гироскопических приборов углы ориентации ЛА в пространстве (курс, крен, тангаж) и другие величины.

Угловая скорость прецессии определяется соотношением:

ῳ_п = М / JΩ = M / H,

где М - момент внешней силы, равный произведению силы на плечо; Ω - угловая скорость вращения ротора гироскопа; J - момент инерции ротора гироскопа; Н - кинетический момент гироскопа.

Гироскопы современных курсовых приборов имеют кинетические моменты от 3000 до 24000 гс см с при угловых скоростях вращения ротора 20000 - 24000 об/мин.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ММФ-476.00.00.00 ПЗ

При гироскопическом способе измерения курса ЛА используется гироскоп с тремя степенями свободы и горизонтальным расположением главной оси (оси ротора). В курсовых приборах такой гироскоп называется курсовым. Свойство гироскопа сохранять положение главной оси в пространстве неизменным дает устойчивое опорное направление для измерения курса. Свойство прецессии используется для сохранения горизонтального положения его главной оси.

Положение главной оси курсового гироскопа, которая моделирует опорное направление, изменяется относительно осей навигационных систем координат. Причинами изменения азимута главной оси курсового гироскопа являются: суточное вращение Земли, перемещение ЛА относительно земной поверхности, собственный уход главной оси гироскопа.

В современных курсовых приборах, работающих в режиме гирополукомпаса, необходимость коррекции курса в основном определяется наличием собственного ухода главной оси гироскопа, которая составляет 0.5 - 2 0/ч. Если исходить из интервала коррекции гироскопического курсового прибора 45 мин - 1ч, то при путевой скорости полета 1200 - 700 км/ч можно сделать вывод о возможности измерения ортодромического курса в гирополукомпасном режиме при удалениях от главной ортодромии 300 - 500 км, при этом ошибка измерения ортодромического курса не превысит 0.50, так как при каждой коррекции курсового прибора она будет компенсироваться.

Практически гирополукомпас обеспечивает измерение условного курса относительно опорного направления отсчёта курса, называемого опорным меридианом. В качестве опорных меридианов для измерения условного курса принимаются: истинный (магнитный) меридиан аэродрома (ИПМ, ППМ), истинные меридианы с долготой 00 или 900 при полетах в высоких широтах, главная ортодромия (параллель) или меридиан ортодромической системы координат.

Дата добавления: 2015-08-17