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 Р=0,95 ,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-44
Миловидов А.Н.
Кравченко Т.Е.
Миляков И.Н.
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, мкм Показания вольтметра, В Разность соседних показаний, В 0 3,30 -300 3,13 0,20 -600 2,60 0,50 -900 1,78 0,82 -1200 0,92 0,86 - максимум -1500 0,29 0,63 -1800 0,18 0,11
Дальнейшие измерения расстояния будут вестись
относительно точки х0, соответствующей напряжению (1,78+0,92)/2 =
1,36 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 значения x, мкм U, B Uср, В -500 0,24 0,24 0,24 0,24 0,24 0,24 0,24 -400 0,38 0,37 0,37 0,36 0,37 0,37 0,37 -300 0,56 0,56 0,56 0,55 0,56 0,56 0,558333 -200 0,8 0,79 0,79 0,78 0,79 0,79 0,79 -100 1,06 1,04 1,05 1,04 1,05 1,05 1,048333 0 1,36 1,36 1,34 1,33 1,34 1,34 1,345 100 1,64 1,72 1,68 1,62 1,62 1,63 1,651667 200 2 2,01 2 1,9 1,9 1,95 1,96 300 2,25 2,3 2,26 2,2 2,19 2,2 2,233333 400 2,5 2,55 2,52 2,47 2,45 2,46 2,491667 500 2,77 2,74 2,73 2,66 2,66 2,69 2,708333
4.
Для каждого
расстояния находим среднеквадратическое отклонение, относительную погрешность и
доверительный интервал. Расчет погрешностей x, мкм Среднеквадр. отклонение Относительная погрешность Доверительный интервал -500 0 0,00% 0,000000 -400 0,006324555 1,71% 0,016444 -300 0,004082483 0,73% 0,010614 -200 0,006324555 0,80% 0,016444 -100 0,007527727 0,72% 0,019572 0 0,012247449 0,91% 0,031843 100 0,040207794 2,43% 0,104540 200 0,050990195 2,60% 0,132575 300 0,043665394 1,96% 0,113530 400 0,038686776 1,55% 0,100586 500 0,045350487 1,67% 0,117911
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 (n=11);
Aj
- отклик ВОД при j-ом значении входного параметра;
Dхi
- приращение входного параметра (Dхi=0,1 мм).
Часть 2. Исследование влияния
условий (типа поверхности) на функцию преобразования.
Измерения производятся для четырех типов поверхности: отражающая
поверхность, белая бумага, черная бумага и текстолит. Измеряем напряжение на
выходе датчика в точках от x=0 до значения, при котором напряжение будет
максимальным, с шагом 200 мкм. x, мкм Тип поверхности отражающая белая черная текстолит 0 0,37 0,53 0,048 0,35 200 0,43 0,65 0,127 0,35 400 0,47 0,82 0,145 0,355 600 0,575 1,02 0,173 0,36 800 0,7 1,24 0,187 0,365 1000 0,89 1,44 0,2 0,372 1200 1,245 1,66 0,203 0,38 1400 1,62 1,8 0,21 0,38 1600 1,9 1,87 0,21 0,38 1800 2,15 1,93 0,205 0,385 2000 2,4 1,95 0,2 0,38 2200 2,5 1,94 0,19 0,375 2400 2,48 1,93 0,18 0,37 2600 2,47 1,92
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.
|
