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.