Исследование функций преобразования и метрологоческих характеристик бесконтактых волоконно-оптических датчиков перемещений

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам по курсу Основы метрологии и измерительной техники. Факультет автоматики и вычислительной техники Кафедра Электронно- вычислительная аппаратура Москва - 1998 Изучение и исследование средств измерений электрических и неэлектрических величин.

Методические указания к лабораторным работам являются составной частью программы по дисциплине Основы метрологии и измерительной техники , изучаемой студентами 2-го курса специальности 2101 - ЭВМ. системы , комплексы и сети. Лабораторные работы выполняются в объеме 18 часов. Основным содержанием лабораторных работ является получение практических навыков работы с современными измерительными приборами, изучение методик определения основных метрологических характеристик измерительных

преобразователей и построение алгоритмов практического применения преобразователей в системах с электронно-вычислительной аппаратурой. Часть 2-3. Исследование функций преобразования и метрологических характеристик бесконтактных волоконно- оптических датчиков перемещений. 1.Цель работы, ее краткое содержание. Целью данной работы является освоение методик определения основных метрологических и эксплуатационных характеристик первичных измерительных преобразователей информации

на примере бесконтактного волоконно- оптического датчика перемещений , а также разработка алгоритма адаптации в системы ,содержащие средства вычислительной техники. 2.Теоретические сведения. Исследуемый в лабораторной работе бесконтактный волоконно-оптический преобразователь перемещений представляет собой систему состоящую из источника излучения ,примо- предающего волоконно- оптического канала и фотоприемника. Здесь поток излучения от источника 1 вводится в предающий световод 2

и на его выходе формируется расходящийся поток излучения в виде конуса, ограниченного апертурой оптических волокон. При падении потока на поверхность объекта часть его отражается и попадает в приемный световод 3 ,проходит по нему в фотоприемник 4, где преобразуется в электрический сигнал. Если изменять расстояние между торцом приемо- предающего световода от нуля , то премещение и выходной ток фотоприемника связаны зависимостью , показанной на рисунке 2.

Рис.1 Схема волконно-оптического Рис2 Типичная зависимость датчика. Зависимость имеет восходящий участок, обусловленный увеличением потока, попадающего в приемный световод, участок максимума ,где наступает равновесие между потоком, входящим в приемный канал и выходящим за его пределы и падающий участок , где преобладает поток ,выходящий за границу приемного световода. На характеристике видны два квазилинейных участка из которых могут быть сформированы функции преобразования

ВОД , являющиеся основной метрологической характеристикой. Наиболее часто для преобразования перемещения в электрический сигнал используется восходящий участок , гду крутизна существенно больше. Преобразователи такого типа , получившие применение для бесконтактного преобразования перемещений в электрический сигнал в сложных условиях окружающей среды , имеют индивидуальные функции преобразования и для каждого экземпляра определяются отдельно.

Функция преобразования на восходящем участке с достаточной степенью точности можно апроксимировать полиномом третьей степени Коэффициенты определяются из соотношений А А А А где- 0,1 - номер экспериментальной точки функции преобразования - число полученных значений функции преобразования А -отклик ВОД при - ом значении входного параметра х - приращение входного параметра. Положение начальной установки датчика относительно отражающей поверхности определяется точкой перегиба

функции . 3. Оборудование лабораторного стенда При проведении экспериментальных исследований в данной работе используется следующее оборудование осциллограф, цифровой вольтметр, специальный штатив с возможностью контроля перемещений ,волоконно-оптический датчик. Питание волоконно-оптического датчика осуществляется от централизованного источника питания. 4. Методика проведения работы. 1. Изучить описание проведения лабораторной работы.

2. Подготовить измерительную установку к работе. Для этого необходимо включить питание датчика, включить измерительные приборы и дать им прогреться в течении 15 мин. установить терец световода над исследуемым участком отражающей поверхности подключить выход ВОД ко входу цифрового вольтметра. 3. Снять и построить функцию преобразования ВОД . Для этого необходимо -отвести общий торец световода с помощью микрометричекой пары до положения, когда

на вольтметре появится максимальное значение напряжения -подводя общий торец световода к отражающей поверхности через каждые 500 мкм зафиксировать и записать значения показаний вольтметра -определить примерное положение точки перегиба функции преобразования как -установить преобразователь в положение соответствующее этой точке по показанию вольтметра -отводя датчик вверх и вниз от точки перегиба снять показания вольтметра через каждые 500 мкм -повторить эти действия 10 раз, данные занести в таблицу.

4. По данным экспериментального исследования построить функцию преобразования по средним значениям экспериментальных точек. 5. По этим же данным определить -максимальное значение доверительного интервала для Р0,95 ,используя таблицы Стьюдента -гистограмму распределения погрешностей. 6.Построить алгоритм и вычислить коэффициенты апроксимирующего полинома. 7. Провести исследование влияния одного из дестабилизирующих факторов по указанию преподавателя.

5. Требование к отчету по выполненной работе. В отчет по лабораторной работе необходимо включить 1. Цель работы. 2. Структурную схему определения параметров ВОД. 3. Протоколы измерений. 4. Графические зависимости. 5. Алгоритм расчета и величины коэффициентов апроксимирующей функции. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам по курсу Основы метрологии и измерительной техники. Факультет автоматики и вычислительной техники Кафедра Электронно- вычислительная аппаратура Москва - 1998 Изучение и исследование средств измерений электрических и неэлектрических величин. Методические указания к лабораторным работам являются составной частью программы по дисциплине

Основы метрологии и измерительной техники , изучаемой студентами 2-го курса специальности 2101 - ЭВМ. системы , комплексы и сети. Лабораторные работы выполняются в объеме 18 часов. Основным содержанием лабораторных работ является получение практических навыков работы с современными измерительными приборами, изучение методик определения основных метрологических характеристик измерительных преобразователей и построение алгоритмов практического применения преобразователей в системах с электронно-

вычислительной аппаратурой. Часть 2-3. Исследование функций преобразования и метрологических характеристик бесконтактных волоконно- оптических датчиков перемещений. 1.Цель работы, ее краткое содержание. Целью данной работы является освоение методик определения основных метрологических и эксплуатационных характеристик первичных измерительных преобразователей информации на примере бесконтактного волоконно- оптического датчика перемещений , а также разработка алгоритма

адаптации в системы ,содержащие средства вычислительной техники. 2.Теоретические сведения. Исследуемый в лабораторной работе бесконтактный волоконно-оптический преобразователь перемещений представляет собой систему состоящую из источника излучения ,примо- предающего волоконно- оптического канала и фотоприемника. Здесь поток излучения от источника 1 вводится в предающий световод 2 и на его выходе формируется расходящийся поток излучения в виде конуса, ограниченного апертурой оптических

волокон. При падении потока на поверхность объекта часть его отражается и попадает в приемный световод 3 ,проходит по нему в фотоприемник 4, где преобразуется в электрический сигнал. Если изменять расстояние между торцом приемо- предающего световода от нуля , то премещение и выходной ток фотоприемника связаны зависимостью , показанной на рисунке 2. Рис.1 Схема волконно-оптического Рис2 Типичная зависимость датчика.

Зависимость имеет восходящий участок, обусловленный увеличением потока, попадающего в приемный световод, участок максимума ,где наступает равновесие между потоком, входящим в приемный канал и выходящим за его пределы и падающий участок , где преобладает поток ,выходящий за границу приемного световода. На характеристике видны два квазилинейных участка из которых могут быть сформированы функции преобразования ВОД , являющиеся основной метрологической характеристикой.

Наиболее часто для преобразования перемещения в электрический сигнал используется восходящий участок , гду крутизна существенно больше. Преобразователи такого типа , получившие применение для бесконтактного преобразования перемещений в электрический сигнал в сложных условиях окружающей среды , имеют индивидуальные функции преобразования и для каждого экземпляра определяются отдельно. Функция преобразования на восходящем участке с достаточной степенью точности можно апроксимировать

полиномом третьей степени Коэффициенты определяются из соотношений А А А А где- 0,1 - номер экспериментальной точки функции преобразования - число полученных значений функции преобразования А -отклик ВОД при - ом значении входного параметра х - приращение входного параметра. Положение начальной установки датчика относительно отражающей поверхности определяется точкой перегиба функции . 3. Оборудование лабораторного стенда При проведении экспериментальных исследований в данной

работе используется следующее оборудование осциллограф, цифровой вольтметр, специальный штатив с возможностью контроля перемещений ,волоконно-оптический датчик. Питание волоконно-оптического датчика осуществляется от централизованного источника питания. 4. Методика проведения работы. 1. Изучить описание проведения лабораторной работы. 2. Подготовить измерительную установку к работе. Для этого необходимо включить питание датчика, включить

измерительные приборы и дать им прогреться в течении 15 мин. установить терец световода над исследуемым участком отражающей поверхности подключить выход ВОД ко входу цифрового вольтметра. 3. Снять и построить функцию преобразования ВОД . Для этого необходимо -отвести общий торец световода с помощью микрометричекой пары до положения, когда на вольтметре появится максимальное значение напряжения -подводя общий торец световода к отражающей

поверхности через каждые 500 мкм зафиксировать и записать значения показаний вольтметра -определить примерное положение точки перегиба функции преобразования как -установить преобразователь в положение соответствующее этой точке по показанию вольтметра -отводя датчик вверх и вниз от точки перегиба снять показания вольтметра через каждые 500 мкм -повторить эти действия 10 раз, данные занести в таблицу. 4. По данным экспериментального исследования построить функцию преобразования по средним значениям

экспериментальных точек. 5. По этим же данным определить -максимальное значение доверительного интервала для Р0,95 ,используя таблицы Стьюдента -гистограмму распределения погрешностей. 6.Построить алгоритм и вычислить коэффициенты апроксимирующего полинома. 7. Провести исследование влияния одного из дестабилизирующих факторов по указанию преподавателя. 5. Требование к отчету по выполненной работе. В отчет по лабораторной работе необходимо включить 1.

Цель работы. 2. Структурную схему определения параметров ВОД. 3. Протоколы измерений. 4. Графические зависимости. 5. Алгоритм расчета и величины коэффициентов апроксимирующей функции. Государственный комитет РФ по высшему образованию Московский государственный институт электроники и математики

Кафедра ЭВА Лабораторная работа по курсу Метрология и измерительная техника Исследование функций преобразования и метрологических характеристик бесконтактных волоконно-оптических датчиков перемещений. Выполнили студенты группы С-45 Голышевский А. Костарев В. Куприянов Ю. Сапунов Г. Преподаватель Зак Е.А. Москва 1998 Цель работы Освоение методик определения основных метрологических

и эксплуатационных характеристик первичных измерительных преобразователей информации на примере бесконтактного волоконно-оптического датчика перемещений. Используемое оборудование волоконно-оптический датчик перемещения, специальный штатив с возможностью контроля перемещений, цифровой вольтметр, микрометрический винт, четыре различных типа поверхности. Алгоритм получения результатов. Волоконно-оптический датчик подключают к цифровому вольтметру.

Часть 1. Нахождение функции преобразования. 1. Изменяя расстояние между датчиком и поверхностью, находим положение датчика, при котором напряжение на выходе датчика будет максимальным. 2. Находим точку перегиба функции преобразования. Для этого измеряем напряжение в нескольких точках при x xmax, находим, на каком интервале самое большое изменение показаний вольтметра. Точка перегиба - внутри этого интервала.

Расстояние до xmax, мкмПоказания вольтметра, ВРазность соседних показаний, В0-300-600-900-1200-1500-1800Дальнейшие измерения расстояния будут вестись относительно точки х0, соответствующей напряжению 2 В 3. Находим напряжение в 10 точках, в две стороны от х0 с шагом 100 мкм. Измерение в каждой точке производится 6 раз. Результаты измерений и средние значенияx, мкмU, BUср, В-5000,240,240,240,240,240,240,24-4000,3 80,370,370,360,370,370,37-3000,560,560,5 60,550,560,560,558333-2000,80,790,790,78 0,790,790,79-1001,061,041,051,041,051,05 1,04833301,361,361,341,331,341,341,34510 01,641,721,681,621,621,631,65166720022,0 121,91,91,951,963002,252,32,262,22,192,2 2,234002,52,552,522,472,452,462,49166750 02,772,742,732,662,662,692,7083334.

Для каждого расстояния находим среднеквадратическое отклонение, относительную погрешность и доверительный интервал. Расчет погрешностейx, мкмСреднеквадр. отклонениеОтносительная погрешностьДоверительный интервал-50000,000,0-4000,0063245551,710 ,016444-3000,0040824830,730,010614-2000, 0063245550,800,016444-1000,0075277270,72 0,01957200,0122474490,910,0318431000,040 2077942,430,1045402000,0509901952,600,13 25753000,0436653941,960,1135304000,03868 67761,550,1005865000,0453504871,670, 5. По средним значениям напряжения и с учетом доверительного интервала строим график функции преобразования датчика График можно аппроксимировать кубическим полиномом ,где коэффициенты определяются по формулам

где j 0,1 - номер экспериментальной точки функции преобразования n - число полученных значений функции преобразования n11 Aj - отклик ВОД при j-ом значении входного параметра Dхi - приращение входного параметра Dхi0,1 мм. Часть 2. Исследование влияния условий типа поверхности на функцию преобразования. Измерения производятся для четырех типов поверхности белая бумага, черная бумага и текстолит с двух

сторон. Измеряем напряжение на выходе датчика в точках от x0 до значения, при котором напряжение будет максимальным, с шагом 200 мкм. x, мкмТип поверхностиотражающаябелаячернаятекстоли т00,370,530,0480,352000,430,650,1270,354 000,470,820,1450,3556000,5751,020,1730,3 68000,71,240,1870,36510000,891,440,20,37 212001,2451,660,2030,3814001,621,80,210, 3816001,91,870,210,3818002,151,930,2050, 38520002,41,950,20,3822002,51,940,190,37 524002,481,930,180,3726002,471,92 Часть 3. Выводы. Работа волоконно-оптического датчика зависит от состояния поверхности рабочей пластины, ее коэффициента отражения и степени рассеивания света при отражении от поверхности. Функция преобразования датчика индивидуальна для каждого сочетания датчик поверхность.

Размер длина рабочего участка характеристики определяется рассеиванием света от поверхности, а угол наклона коэффициентом отражения света. Датчик характеризуется полным отсутствием влияния на объект. Погрешность абсолютная микрометра при измерениях составляла 5 мкм. А погрешность вольтметра во втором знаке после запятой, то есть при измерениях с металлической пластиной она составила до 0,05 Вольта. Вольтметр обладает тремя с половиной разрядами, но случайная погрешность

из-за непрерывного изменения показаний в данном случае оказалась выше.