Исследование функций преобразования и метрологических характеристик бесконтактных 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.