Исследование функций преобразования и метрологических характеристик бесконтактных волоконно-оптических датчиков перемещений

Государственныйкомитет РФ повысшему образованию

Московскийгосударственныйинститут электроникии математики

Кафедра ЭВА

Лабораторнаяработа

по курсу"Метрологияи измерительнаятехника"

Исследованиефункций преобразованияи метрологическиххарактеристикбесконтактныхволоконно-оптическихдатчиков перемещений.

Выполнилистуденты группыС-45

ГолышевскийА.

КостаревВ.

КуприяновЮ.

Сапунов Г.

Преподаватель

Зак Е.А.

Москва 1998

Цель работы:Освоение методикопределенияосновныхметрологическихи эксплуатационныххарактеристикпервичныхизмерительныхпреобразователейинформациина примеребесконтактноговолоконно-оптическогодатчика перемещений.

Используемоеоборудование:волоконно-оптическийдатчик перемещения,специальныйштатив с возможностьюконтроля перемещений,цифровой вольтметр,микрометрическийвинт, четыреразличных типаповерхности.

Алгоритмполучениярезультатов.

Волоконно-оптическийдатчик подключаютк цифровомувольтметру.

Часть1. Нахождениефункции преобразования.

1. Изменяярасстояниемежду датчикоми поверхностью,находим положениедатчика, прикотором напряжениена выходе датчикабудет максимальным.

2. Находимточку перегибафункции преобразования.Для этого измеряемнапряжениев несколькихточках приxmax,находим, накаком интервалесамое большоеизменениепоказанийвольтметра.Точка перегиба- внутри этогоинтервала.

Дальнейшиеизмерениярасстояниябудут вестисьотносительноточки х₀,соответствующейнапряжению( + )/2 = В

3. Находимнапряжениев 10 точках, в двестороны от х_0­с шагом100 мкм. Измерениев каждой точкепроизводится6 раз.

   Результатыизмеренийи средниезначения
   	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. Длякаждого расстояниянаходимсреднеквадратическоеотклонение,относительнуюпогрешностьи доверительныйинтервал.

5. Посредним значениямнапряженияи с учетомдоверительногоинтерваластроим графикфункции преобразованиядатчика:

Графикможно аппроксимироватькубическимполиномом

,где коэффициентыопределяютсяпо формулам:

где:

j=0,1... - но­мерэкс­пе­ри­мен­таль­нойточ­ки функ­циипре­об­ра­зо­ва­ния;

n- чис­ло по­лу­чен­ныхзна­че­нийфунк­циипре­об­ра­зо­ва­ния(n=11);

A_j- от­клик ВОДпри j-ом зна­че­ниивход­но­гопа­ра­мет­ра;

х_i- при­ра­ще­ниевход­но­гопа­ра­мет­ра(х_i=0,1мм).

Часть2. Исследованиевлияния условий(типа поверхности)на функциюпреобразования.

Измеренияпроизводятсядля четырехтипов поверхности:белая бумага,черная бумагаи текстолитс двух сторон.Измеряем напряжениена выходе датчикав точках от x=0до значения,при которомнапряжениебудет максимальным,с шагом 200 мкм.

Часть3. Выводы.

Ра­бо­таво­ло­кон­но-оп­ти­че­ско­годат­чи­ка за­ви­ситот со­стоя­нияпо­верх­но­стира­бо­чейпла­сти­ны,ее ко­эф­фи­ци­ен­таот­ра­же­нияи сте­пе­нирас­сеи­ва­ниясве­та приот­ра­же­нииот по­верх­но­сти.Функ­цияпре­об­ра­зо­ва­ниядат­чи­каин­ди­ви­ду­аль­надля ка­ж­до­госо­че­та­ниядат­чик —по­верх­ность.Раз­мер (дли­на)ра­бо­че­гоуча­ст­каха­рак­те­ри­сти­киоп­ре­де­ля­ет­сярас­сеи­ва­ни­емсве­та отпо­верх­но­сти,а угол на­кло­на— ко­эф­фи­ци­ен­томот­ра­же­ниясве­та. Дат­чикха­рак­те­ри­зу­ет­сяпол­ным от­сут­ст­ви­емвлия­ния наобъ­ект.

По­греш­ность(аб­со­лют­ная)мик­ро­мет­рапри из­ме­ре­ни­яхсо­став­ля­ла5 мкм. А по­греш­ностьвольт­мет­ра— во вто­ромзна­ке по­слеза­пя­той, тоесть при из­ме­ре­ни­яхс ме­тал­ли­че­скойпла­сти­нойона со­ста­ви­ладо 0,05 Воль­та.Вольт­метроб­ла­да­еттре­мя с по­ло­ви­нойраз­ря­да­ми,но слу­чай­наяпо­греш­ностьиз-за не­пре­рыв­но­гоиз­ме­не­нияпо­ка­за­нийв дан­ном слу­чаеока­за­ласьвы­ше.

Государственныйкомитет РФ повысшему образованию

Московскийгосударственныйинститут электроникии математики

Кафедра ЭВА

Лабораторнаяработа

по курсу"Метрологияи измерительнаятехника"

Исследованиефункций преобразованияи метрологическиххарактеристикбесконтактныхволоконно-оптическихдатчиков перемещений.

Выполнилистуденты группыС-44

МиловидовА.Н.

КравченкоТ.Е.

МиляковИ.Н.

Преподаватель

Зак Е.А.

Москва 1998

Цель работы:Освоение методикопределенияосновныхметрологическихи эксплуатационныххарактеристикпервичныхизмерительныхпреобразователейинформациина примеребесконтактноговолоконно-оптическогодатчика перемещений.

Используемоеоборудование:волоконно-оптическийдатчик перемещения,специальныйштатив с возможностьюконтроля перемещений,цифровой вольтметр,микрометрическийвинт, четыреразличных типаповерхности.

Алгоритмполучениярезультатов.

Волоконно-оптическийдатчик подключаютк цифровомувольтметру.

Часть1. Нахождениефункции преобразования.

1. Изменяярасстояниемежду датчикоми поверхностью,находим положениедатчика, прикотором напряжениена выходе датчикабудет максимальным.

2. Находимточку перегибафункции преобразования.Для этого измеряемнапряжениев несколькихточках приxmax,находим, накаком интервалесамое большоеизменениепоказанийвольтметра.Точка перегиба- внутри этогоинтервала.

Дальнейшиеизмерениярасстояниябудут вестисьотносительноточки х₀,соответствующейнапряжению(1,78+0,92)/2 = 1,36 В

3. Находимнапряжениев 10 точках, в двестороны от х_0­с шагом100 мкм. Измерениев каждой точкепроизводится6 раз.

   Результатыизмеренийи средниезначения
   	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. Длякаждого расстояниянаходимсреднеквадратическоеотклонение,относительнуюпогрешностьи доверительныйинтервал.

5. Посредним значениямнапряженияи с учетомдоверительногоинтерваластроим графикфункции преобразованиядатчика:

Г
рафикможно аппроксимироватькубическимполиномом

,где коэффициентыопределяютсяпо формулам:

где:

j=0,1... - но­мерэкс­пе­ри­мен­таль­нойточ­ки функ­циипре­об­ра­зо­ва­ния;

n- чис­ло по­лу­чен­ныхзна­че­нийфунк­циипре­об­ра­зо­ва­ния(n=11);

A_j- от­клик ВОДпри j-ом зна­че­ниивход­но­гопа­ра­мет­ра;

х_i- при­ра­ще­ниевход­но­гопа­ра­мет­ра(х_i=0,1мм).

Часть2. Исследованиевлияния условий(типа поверхности)на функциюпреобразования.

Измеренияпроизводятсядля четырехтипов поверхности:отражающаяповерхность,белая бумага,черная бумагаи текстолит.Измеряем напряжениена выходе датчикав точках от x=0до значения,при которомнапряжениебудет максимальным,с шагом 200 мкм.

Часть3. Выводы.

Ра­бо­таво­ло­кон­но-оп­ти­че­ско­годат­чи­ка за­ви­ситот со­стоя­нияпо­верх­но­стира­бо­чейпла­сти­ны,ее ко­эф­фи­ци­ен­таот­ра­же­нияи сте­пе­нирас­сеи­ва­ниясве­та приот­ра­же­нииот по­верх­но­сти.Функ­цияпре­об­ра­зо­ва­ниядат­чи­каин­ди­ви­ду­аль­надля ка­ж­до­госо­че­та­ниядат­чик —по­верх­ность.Раз­мер (дли­на)ра­бо­че­гоуча­ст­каха­рак­те­ри­сти­киоп­ре­де­ля­ет­сярас­сеи­ва­ни­емсве­та отпо­верх­но­сти,а угол на­кло­на— ко­эф­фи­ци­ен­томот­ра­же­ниясве­та. Дат­чикха­рак­те­ри­зу­ет­сяпол­ным от­сут­ст­ви­емвлия­ния наобъ­ект.

По­греш­ность(аб­со­лют­ная)мик­ро­мет­рапри из­ме­ре­ни­яхсо­став­ля­ла5 мкм. А по­греш­ностьвольт­мет­ра— во вто­ромзна­ке по­слеза­пя­той, тоесть при из­ме­ре­ни­яхс ме­тал­ли­че­скойпла­сти­нойона со­ста­ви­ладо 0,05 Воль­та.Вольт­метроб­ла­да­еттре­мя с по­ло­ви­нойраз­ря­да­ми,но слу­чай­наяпо­греш­ностьиз-за не­пре­рыв­но­гоиз­ме­не­нияпо­ка­за­нийв дан­ном слу­чаеока­за­ласьвы­ше.

МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ РФ

МОСКОВСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИИ

МАТЕМАТИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕУКАЗАНИЯ

к лабораторнымработам покурсу "Основыметрологии и измерительнойтехники".

Факультетавтоматикии

вычислительнойтехники

Кафедра"Электронно-

вычислительнаяаппаратура

Москва- 1998

Изучениеи исследованиесредств измеренийэлектрическихи неэлектрическихвеличин.

Методическиеуказания клабораторнымработам являютсясоставнойчастью программыпо дисциплине "Основы метрологиии измерительнойтехники " , изучаемойстудентами2-го курса специальности2101 - ЭВМ. системы, комплексы исети.

Лабораторныеработы выполняютсяв объеме 18 часов.

Основнымсодержаниемлабораторныхработ является получениепрактическихнавыков работыс современнымиизмерительнымиприборами,изучение методик определенияосновныхметрологическиххарактеристикизмерительныхпреобразователейи построениеалгоритмовпрактическогопримененияпреобразователейв системах сэлектронно-вычислительнойаппаратурой.

Часть2-3. Исследованиефункций преобразованияи метрологическиххарактеристикбесконтактныхволоконно-оптическихдатчиков перемещений.

1.Цельработы, ее краткоесодержание.

Целью даннойработы являетсяосвоение методикопределенияосновныхметрологическихи эксплуатационныххарактеристикпервичныхизмерительныхпреобразователейинформациина примеребесконтактноговолоконно-оптическогодатчика перемещений, а также разработкаалгоритмаадаптации всистемы ,содержащиесредствавычислительнойтехники.

2.Теоретическиесведения.

Исследуемыйв лабораторнойработе бесконтактныйволоконно-оптическийпреобразовательперемещенийпредставляетсобой системусостоящую из источникаизлучения ,примо- предающеговолоконно-оптическогоканала и фотоприемника.Здесь потокизлучения отисточника 1вводится впредающийсветовод 2 ина его выходеформируетсярасходящийсяпоток излученияв виде конуса,ограниченногоапертуройоптическихволокон. Припадении потокана поверхностьобъекта частьего отражаетсяи попадает вприемный световод3 ,проходит понему в фотоприемник4, где преобразуетсяв электрическийсигнал. Еслиизменять расстояние между торцомприемо- предающегосветовода отнуля , то премещениеи выходной токфотоприемникасвязаны зависимостью, показаннойна рисунке 2.

Рис.1Схема волконно-оптического Рис2 Типичнаязависимость

датчика.

Зависимостьимеет восходящийучасток, обусловленныйувеличениемпотока, попадающегов приемныйсветовод, участокмаксимума ,гденаступаетравновесиемежду потоком,входящим вприемный канали выходящимза его пределыи падающийучасток , гдепреобладаетпоток ,выходящийза границуприемногосветовода.

На характеристикевидны дваквазилинейныхучастка изкоторых могутбыть сформированыфункциипреобразованияВОД , являющиесяосновнойметрологической характеристикой.Наиболее частодля преобразованияперемещенияв электрическийсигнал используетсявосходящийучасток , гдукрутизна существеннобольше.

Преобразователитакого типа, получившиеприменениедля бесконтактногопреобразованияперемещенийв электрическийсигнал в сложныхусловиях окружающейсреды , имеютиндивидуальные функциипреобразованияи для каждогоэкземпляраопределяютсяотдельно.

Функцияпреобразованияна восходящемучастке сдостаточнойстепенью точностиможно апроксимироватьполиномомтретьей степени:

Коэффициентыопределяютсяиз соотношений:

А=---------------------------------------------------------------------------

А=----------------------------------------------------------------------------------

А=--------------------------------------------------------------------------------------

А=----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

где- = 0,1... - номер экспериментальнойточки функциипреобразования;

-число полученныхзначений функциипреобразования;

А -отклик ВОДпри - ом значениивходного параметра;

х- приращениевходного параметра.

Положениеначальнойустановкидатчика относительноотражающей поверхности определяется точкой перегиба функции .

3. Оборудованиелабораторногостенда

При проведенииэкспериментальныхисследованийв данной работеиспользуетсяследующееоборудование:

осциллограф,цифровой вольтметр,специальныйштатив с возможностьюконтроля перемещений,волоконно-оптическийдатчик.

Питаниеволоконно-оптическогодатчика осуществляетсяот централизованногоисточникапитания.

4. Методикапроведенияработы.

1.Изучить описаниепроведениялабораторнойработы.

2.Подготовитьизмерительнуюустановку кработе. Дляэтого необходимо:

включитьпитание датчика,

включитьизмерительныеприборы и датьим прогретьсяв течении 15 мин.;

установитьтерец световоданад исследуемымучастком отражающейповерхности;

подключитьвыход ВОД ковходу цифрового вольтметра.

3.Снять и построитьфункцию преобразованияВОД . Для этогонеобходимо:

-отвестиобщий торецсветовода спомощью микрометричекойпары до положения,когда на вольтметрепоявится максимальноезначение напряжения:

-подводяобщий торецсветовода котражающейповерхностичерез каждые500 мкм зафиксироватьи записатьзначения показанийвольтметра;

-определитьпримерноеположение точкиперегиба функциипреобразованиякак

-установитьпреобразовательв положениесоответствующееэтой точке попоказаниювольтметра;

-отводядатчик вверхи вниз от точкиперегиба снятьпоказаниявольтметрачерез каждые500 мкм;

-повторитьэти действия10 раз, данныезанести в таблицу.

4.По даннымэкспериментальногоисследованияпостроитьфункцию преобразованияпо среднимзначениямэкспериментальныхточек.

5.По этим же даннымопределить:

-максимальноезначениедоверительногоинтервала дляР=0,95 ,используятаблицы Стьюдента:

-гистограммураспределенияпогрешностей.

6.Построитьалгоритм ивычислитькоэффициентыапроксимирующегополинома.

7.Провести исследованиевлияния одногоиз дестабилизирующихфакторов поуказаниюпреподавателя.

5. Требованиек отчету повыполненнойработе.

Вотчет по лабораторнойработе необходимовключить:

1.Цель работы.

2.Структурнуюсхему определенияпараметровВОД.

3.Протоколыизмерений.

4.Графическиезависимости.

5.Алгоритм расчетаи величиныкоэффициентовапроксимирующейфункции.