Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов автоматической коррекции погрешностей в информационно-измерительных системах на основе волоконно-оптических датчиков 11
1.1 Анализ известных алгоритмических методов автоматической коррекции погрешностей результата измерений 11
1.2 Классификация методов избыточных измерений 17
1.3 Анализ известных технических решений волоконно-оптических датчиков давления для оптико-электронных информационно-измерительных систем 30
Основные результаты и выводы 59
Глава 2 Математическое моделирование процессов избыточных измерений в информационно-измерительных системах 60
2.1 Математические модели процессов избыточных измерений при квадратичной функции преобразования измерительного канала 60
2.2 Математические модели процессов избыточных измерений при кубической функции преобразования измерительного канала 69
2.3 Математические модели процессов избыточных измерений при экспоненциальной функции преобразования измерительного канала 78
2.4 Математические модели процессов избыточных измерений при логарифмической функции преобразования измерительного канала 83
Основные результаты и выводы 89
Глава 3 Разработка методов избыточных измерений давления для оптико-электронных информационно-измерительных систем 90
3.1 Методы избыточных измерений давления при квадратично-экспоненциальной функции преобразования измерительного канала 90
3.2 Методы избыточных измерений давления при кубично-экспоненциальной функции преобразования измерительного канала 98
3.3 Методы избыточных измерений давления при экспоненциальной функции преобразования измерительного канала 106
3.4 Методы избыточных измерений давления при логарифмической функции преобразования измерительного канала 110
Основные результаты и выводы 116
Глава 4 Разработка и анализ новых технических решений оптико-электронных информационно-измерительных систем с автоматической коррекцией погрешностей 117
4.1 Разработка технических решений информационно-измерительных систем на основе волоконно-оптических датчиков давления 117
4.1.1 Разработка технического решения информационно-измерительной системы на основе одноканального волоконно-оптического датчика давления... 117
4.1.2 Разработка технических решений информационно-измерительных систем на основе двухканальных волоконно-оптических датчиков давления 124
4.1.3 Разработка технического решения информационно-измерительной системы на основе трехканального волоконно-оптического датчика давления... 145
4.2. Анализ точностных характеристик информационно-измерительной системы на основе трехканального волоконно-оптического датчика давления ... 151
4.2.1 Анализ влияния внешних дестабилизирующих факторов на точностные характеристики информационно-измерительной системы при отсутствии автоматической коррекции погрешностей 151
4.2.2 Анализ неисключённой систематической погрешности результата измерений давления, полученного с помощью информационно-измерительной системы с автоматической коррекцией погрешностей 160
4.2.3 Анализ результатов экспериментальных исследований информационно-измерительной системы на основе трехканального волоконно-оптического датчика давления 170
Основные результаты и выводы 175
Заключение 176
Список литературы 179
Приложение
- Анализ известных технических решений волоконно-оптических датчиков давления для оптико-электронных информационно-измерительных систем
- Математические модели процессов избыточных измерений при кубической функции преобразования измерительного канала
- Методы избыточных измерений давления при кубично-экспоненциальной функции преобразования измерительного канала
- Анализ точностных характеристик информационно-измерительной системы на основе трехканального волоконно-оптического датчика давления
Введение к работе
Актуальность работы. Научно-техническая задача создания оптико-электронных информационно-измерительных систем (ИИС) на основе амплитудных волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД) с улучшенными точностными характеристиками важна и актуальна. Актуальность этой задачи обусловлена широкими потребностями атомной энергетики и водного хозяйства, химической, металлургической и нефтеперерабатывающей промышленности в ИИС, пригодных для работы в условиях воздействия высоких температур, коррозийно-активных веществ, сильных электромагнитных полей и высокой радиации. Для работы в таких жестких внешних условиях наилучшим образом подходят ИИС, в основу принципа действия которых положены разные оптические эффекты и явления.
В настоящее время наибольшее распространение получили оптико-электронные ИИС на основе амплитудных ВОДД, что обусловлено простотой их конструктивного исполнения и низкой себестоимостью. Вопросам создания и применения амплитудных ВОДД и ИИС на их основе посвящены исследования многих отечественных и зарубежных ученых. Среди них В. И. Бусурин, В. А. Гридчин, Е. А. Зак, Т. И. Мурашкина, Ю. Р. Носов, К. В. Татмышевский, С. К. Asawa, J. Е. Fulenwider, J. Gonsalves, D. H. McMahon, S. K. Yao и др.
Недостатком ИИС на основе амплитудных ВОДД является то, что выходной сигнал их измерительного канала существенно зависит от температуры и механических вибраций. Для повышения точности измерений давления применяются в основном конструктивные, технологические и схемотехнические методы, возможности которых к настоящему времени практически исчерпаны. В результате большинство существующих оптико-электронных ИИС на основе амплитудных волоконно-оптических датчиков не обеспечивает получение результата измерений с основной погрешностью менее 0,5 % и дополнительной погрешностью менее 3,0 %.
В то же время рядом российских и украинских ученых было разработано семейство методов повышения точности измерений, основанных на получении информационной избыточности - дополнительной информации не только об измеряемой физической величине, но и о погрешностях, полученных при измерениях. Применение указанных методов позволяет синтезировать ИИС высокой точности на базе нестабильных измерительных преобразователей. Данные методы получили название «алгоритмические методы автоматической коррекции погрешностей». Значительный вклад в разработку алгоритмических методов автоматической коррекции погрешностей внесли Т. М. Алиев, Э. М. Бромберг, Л. И. Волгин, Э. И. Гитис, М. А. Земельман, В. Т. Кондратов, К. Л. Куликовский, Н. И. Лиманова, С. М. Персии, Л. Р. Сейделъ, Ю. А. Скрипник, А. А. Тер-Хачатуров, Ю. М. Туз, А. М. Шекиханов. Наиболее обширной группой алгоритмических методов автоматической коррекции погрешностей являются
методы избыточных измерений (МИИ), возникшие в результате эволюции методов образцовых мер и тестовых методов. Однако до настоящего времени широкого распространения МИИ в оптико-электронных ИИС не получили.
В связи с этим актуальной является задача разработки оптико-электронных ИИС на основе ВОДД, реализующих методы избыточных измерений.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является совершенствование точностных характеристик оптико-электронных информационно-измерительных систем на основе амплитудных волоконно-оптических датчиков давления.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
проведение анализа существующих алгоритмических методов автоматической коррекции погрешностей;
разработка математических моделей процесса избыточных измерений давления для случаев, когда измерительный канал оптико-электронной ИИС имеет квадратичную, кубическую, экспоненциальную и логарифмическую номинальную функцию преобразования;
создание, на основе разработанных математических моделей, методов избыточных измерений давления, обеспечивающих автоматическую коррекцию систематических и случайной составляющих погрешности результата измерений;
разработка конструктивных решений ВОДД, обеспечивающих получение информационной избыточности;
разработка технических решений оптико-электронных ИИС на основе ВОДД, обеспечивающих реализацию предложенных МИИ;
анализ составляющих неисключенной систематической погрешности результата измерений и выработка рекомендаций для ее минимизации;
проведение экспериментальных исследований изготовленного макетного образца ИИС на основе трехканального ВОДД для подтверждения теоретических положений диссертации.
Методы исследования. При исследованиях использовались основные положения волоконной и геометрической оптики, аналитической геометрии и теории избыточных измерений, применялись методы численного анализа, имитационное и статистическое моделирование на ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны математические модели, которые описывают процесс
автоматической коррекции погрешностей результатов измерений, полученных
с помощью оптико-электронных ИИС на основе амплитудных ВОДД,
устанавливают порядок проведения промежуточных измерений и задают
способ обработки полученных результатов, который позволяет определить
действительные значения искомой физической величины и параметров
функции преобразования измерительного канала.
2. Разработаны методы избыточных измерений давления, решающие задачу
автоматической коррекции систематических и случайной составляющих
погрешности результата измерений, обусловленных воздействием внешних
дестабилизирующих факторов на измерительный канал ИИС на основе амплитудных ВОДД.
Предложены технические решения оптико-электронных информационно-измерительных систем, обеспечивающие линейную зависимость результатов измерений от значений измеряемого давления.
Разработаны конструктивные решения ВОДД, которые обеспечивают получение информационной избыточности за счет формирования потоков оптического излучения, несущих информацию не только об измеряемом давлении, но и о параметрах функции преобразования измерительного канала, и благодаря этому позволяют предупредить возможный метрологический отказ ИИС.
Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение» в НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем», и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания оптико-электронных ИИС на основе амплитудных ВОДД с улучшенными точностными характеристиками.
Результаты, полученные в ходе теоретических и экспериментальных исследований, позволяют перейти к промышленному производству и внедрению информационно-измерительных систем с автоматической коррекцией погрешностей на основе волоконно-оптических датчиков давления.
Практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках: договора № 20 от 30 сентября 2008 г. между НТЦ «НАНОТЕХ» Пензенского государственного университета (г. Пенза, Россия) и ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А. И. Глухарева (г. Энгельс-19, Россия) и договора № 1 ОК 2008 НИЦПИ от 18 июня 2008 г. между Государственным научно-исследовательским центром прикладной информатики (г. Киев, Украина) и Международным научно-учебным центром информационных технологий и систем Национальной академии наук Украины и Министерства образования и науки Украины (г. Киев, Украина).
На защиту выносятся:
Математические модели, которые описывают процесс автоматической коррекции погрешностей результата измерений, полученного с помощью оптико-электронной ИИС на основе амплитудных ВОДД, устанавливают порядок проведения промежуточных измерений и задают способ обработки полученных результатов, позволяющий определить действительные значения искомой физической величины и параметров функции преобразования измерительного канала.
Методы избыточных измерений давления, которые решают задачу автоматической коррекции систематических и случайных погрешностей, обусловленных воздействием внешних дестабилизирующих факторов на измерительный канал ИИС на основе амплитудных ВОДД.
Технические решения оптико-электронных ИИС с улучшенными точностными характеристиками, которые обеспечивают линейную зависимость результата измерения от значения измеряемого давления.
Конструктивные решения ВОДД, которые обеспечивают получение информационной избыточности.
Реализация и внедрение результатов диссертации. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использованы при разработке макетного образца оптико-электронной информационно-измерительной системы на основе трехканального волоконно-оптического датчика давления (шифр «ИИС-ВО-Д»).
Материалы по проектированию оптико-электронной ИИС и конструированию трехканального ВОДД использованы при проведении исследований в рамках НИОКР «Разработка программно-аппаратной платформы образного компьютера», выполняемых Государственным научно-исследовательским центром прикладной информатики и в проекте аналитической ведомственной целевой программы Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», подраздел 2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» по теме «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами», выполняемой ИГУ.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международной НТК «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (г. Пенза, 2005, 2006, 2007, 2008), VII Международной НТК «Optical Technologies, Optical Sensors & Measuring Techniques» (г. Нюрнберг, 2006), XIII Международной НТК «SENSOR Conference» (г. Нюрнберг, 2007), VIII Международной НПК «Современные информационные и электронные технологии» (г. Одесса, 2007), Международной НТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2007, 2008), XV Всероссийской межвузовской НТК студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (г. Москва, 2008), Международном оптическом конгрессе «Оптика XXI век» (г. Санкт-Петербург, 2008), Международной НТК «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (г. Пенза, 2008), Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ, в том числе 10 статей, две из которых опубликованы в издании, входящем в перечень ВАК РФ, 4 патента Украины, 14 докладов на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, пяти приложений. Основная часть изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, одну таблицу. Список литературы содержит 126 наименований. Приложения к диссертации занимают 20 страниц.
Анализ известных технических решений волоконно-оптических датчиков давления для оптико-электронных информационно-измерительных систем
При создании оптико-электронных информационно-измерительных систем на передний план выступает вопрос, связанный с выбором способа восприятия и преобразования искомой физической величины. Рассмотрение данного вопроса невозможно без логического обобщения и систематизации накопленных знаний о физических эффектах и явлениях, которые могут быть положены в основу принципа действия датчиков, без глубокого анализа достоинств и недостатков известных конструкций датчиков и изучения путей улучшения их точностных характеристик.
Работа по систематизации знаний об амплитудных волоконно-оптических датчиках давления (ВОДД) и созданию их классификации началась еще в 1977-1979 гг. Вопросам их создания и применения было посвящено немало монографий, учебных пособий и научных статей [16, 25, 54, 104, 105, 114, 118]. Однако до настоящего времени не была написана обзорно-аналитическая работа, которая охватывала бы всё многообразие амплитудных ВОДД и давала бы целостное представление о них.
При построении классификаций ВОДД наибольшее распространение получил подход в соответствии с которым каждый из признаков, положенных в основу классификации, образует как бы отдельную ветвь, отходящую от общего ствола классификационного древа [16, 25, 54, 104, 105, 114]. Этот подход достаточно прост, поскольку избавляет составителя от необходимости соблюдения строгой иерархии атрибутивных признаков. Недостатком классификаций, созданных на основе данного подхода, является то, что они не охватывают случаи, когда датчик одновременно обладает несколькими свойствами, выделенными по разным атрибутивным признакам.
Известен также подход, при котором классификация датчиков строится по принципу координатной сетки глобуса [20]. В этом случае каждому «меридиану» и «параллели» ставится в соответствие определённый классификационный признак или выделяемое по нему свойство датчика. Суть подхода заключается в объединении разнородных свойств и характеристик датчика в диады, последовательном их рассмотрении и определении, какие из комбинаций свойств принципиально невозможны, какие уже реализованы, а какие лишь потенциально возможны. Недостатком этого подхода является то, что он не позволяет выявить причинно-следственные связи между разными свойствами датчика.
Отличительной чертой рассматриваемой ниже классификации является то, что она представляет собой иерархическую систему атрибутивных признаков, каждый уровень которой находится в тесной взаимосвязи с предшествующими и последующими уровнями (рисунок 1.4). Рассмотрим последовательно каждый атрибутивный признак.
В зависимости от объёма информации, получаемой с помощью датчика, ВОДЦ делятся на два вида. Датчики первого вида обеспечивают получение информации об измеряемой физической величине (давлении). Датчики второго вида (в литературе их принято называть информативно-избыточными датчиками) обеспечивают получение информационной избыточности, что позволяет их использовать при реализации методов избыточных измерений. На сегодняшний день в литературе описаны три подхода к конструированию информативно-избыточных датчиков: 1) введение в конструкцию датчика регулируемой образцовой меры [75]; 2) объединение в единую конструкцию датчика и магазина с образцовыми мерами (с сохранением миниатюрности изделия) [85]; 3) изменение конструкции датчика таким образом, чтобы можно было осуществить управляющие воздействия на его структурные (функциональные и конструктивные) элементы и за счёт этого обеспечить нормированное изменение значений параметров ФП датчика, а следовательно, и измерительного канала [86].
По виду воспринимаемого и преобразуемого давления все многообразие амплитудных ВОДЦ делится на пять групп [109]: датчики абсолютного давления, воспринимающие и преобразующие давление, отсчитываемое от абсолютного нуля; — датчики избыточного давления, предназначенные для восприятия и преобразования разности между абсолютным давлением, большим абсолютного давления окружающей среды, и абсолютным давлением окружающей среды; датчики вакуумметрического давления, используемые для восприятия и преобразования давления разреженного газа; датчики атмосферного давления, применяемые для восприятия и преобразования абсолютного давления околоземной атмосферы; датчики дифференциального давления, используемые в тех случаях, когда необходимо воспринять и преобразовать разность двух давлений.
По типу чувствительного элемента (ЧЭ) различают две разновидности датчиков: ВОДЦс ЧЭ, к которому подводится и от которого отводится поток оптического излучения, и ВОДЦс ЧЭ, генерирующим поток оптического излучения [114].
Для датчиков первой разновидности характерным является то, что они имеют встроенный источник оптического излучения (ИОИ) или подключаются к внешнему ИОИ. Датчики второй разновидности не нуждаются в ИОИ, так как его функцию выполняет сам ЧЭ. Прежде чем рассматривать деление ВОДД по следующему атрибутивному признаку, дадим определение понятиям „оптический тракт" и „оптический канал". Оптический тракт — путь следования потока оптического излучения. Оптический канал (ОК) - совокупность оптически прозрачных сред, через которые пролегает оптический тракт [83]. По направленности ОК следует различать датчики с однонаправленным и двунаправленным ОК. Под ВОДД с однонаправленным ОК понимается датчик, по ОК которого поток оптического излучения передаётся в одном определённом направлении, а под ВОДД с двунаправленным ОК — датчик, по ОК которого передаются встречно направленные потоки оптического излучения. По оптическому явлению, положенному в основу принципа действия датчика, выделяют ВОДД, основанные на явлениях отражения, прерывания, преломления, поглощения, дивергенции, нарушения полного внутреннего отражения и механолюминесценции [121].
Математические модели процессов избыточных измерений при кубической функции преобразования измерительного канала
Примем теперь в качестве математической модели функции преобразования измерительного канала кубическую функцию вида где S H, S n, у 0 - параметры реальной кубической ФП, учитывающие влияние дестабилизирующих факторов на измерительный канал ФП, обусловленные процессами старения, а также влиянием дестабилизирующих факторов на измерительный канал. В данном случае могут использоваться те же подходы к получению информационной избыточности, что и при квадратичной ФП. Первый подход [89] предполагает проведение измерений группы из шести КрФВ х15 х2, хъ, х4, х5 и х6 с размерами { }={X}+{ O}-{AXQ1}, {Х2} = {х} + {х0}, {х3} = Если измерения искомой физической величины проводятся МИИ первого рода;, то систему когерентных нелинейных уравнений связи между величинами можно представить виде Покажем, что действительные значения параметров S , 8Л и у 0 ФП, а также искомой ФВ х можно определить путём решения системы (2.29). Сначала выразим параметр S H в четвёртом, пятом и шестом уравнениях связи между величинами системы (2.29) через другие величины: Приравняв правые части аналитических выражений (2.30), (2.31) и (2.32), получим систему из двух уравнений связи между величинами с двумя неизвестными (S n и у о)\ Решив данную систему, получим следующие уравнения избыточных измерений для определения действительных значений параметров S n и у 0: Подставим в уравнение связи между величинами (2.30) аналитические выражения (2.33) и (2.34) и приведём подобные. В результате получим уравнение избыточных измерений для определения действительного значения параметра S H ФП:
Наконец, выведем уравнение избыточных измерений для определения действительного значения искомой ФВ х. Для этого найдём разницу второго и первого, третьего и второго уравнений связи между величинами из системы (2.29) и представим результирующие аналитические выражения в следующем виде: Приравняем правые части данных аналитических выражений, подставим в получившееся уравнение связи между величинами аналитические выражения (2.33) и (2.35) и приведём подобные. В результате имеем Уравнения избыточных измерений (2.33 - 2.36) показывают, какие операции и в какой последовательности необходимо осуществить над результатами промежуточных измерений у{, у2, , у6 для определения действительного значения искомой ФВ и значений параметров S H, S n и у 0 ФП. При обработке результатов промежуточных измерений согласно уравнению избыточных измерений (2.36) обеспечивается автоматическая коррекция как основной, так и дополнительной погрешностей результата измерения искомой ФВ (имеются в виду составляющие систематической погрешности). Это подтверждается тем, что в уравнение избыточных измерений (2.36) не входят параметры ФП измерительного канала, изменение значений которых и приводит к возникновению дополнительной погрешности результата измерения. Кроме того, результат измерений линейно зависит от искомой ФВ. Математическая модель процесса избыточных измерений второго рода получена в следующем виде: где т - число циклов измерений; уп, уп, , у16 и ут1, ут2, , ут6 - выходные величины, полученные в первом и т-ом циклах измерений. 3) результат решения системы уравнений связи между величинами (2.37) в виде четырёх уравнений избыточных измерений: - [ ОіСУ/б -УІ5) + &&(УІ5 -Уі4)} + Х0ІЬ$)\(Уі6 -Уі5) + кзУі5Ах01Ах02І/Щі + Д% ) ekiyts -Ум)]- #5 01 02( 01 - 02)} Установлено, что обработка результатов промежуточных измерений согласно уравнению избыточных измерений (2.38) позволяет осуществить автоматическую коррекцию систематических и случайной составляющих погрешности результата измерения искомой ФВ. В тоже время обработка результатов промежуточных измерений согласно уравнениям избыточных измерений (2.39) даёт возможность определить действительные значения параметров кубической ФП (2.28). Второй подход к получению информационной избыточности предполагает использование двух базовых КрФВ (известного и неизвестного размеров) и изменение значений параметров SH и Sn функции преобразования измерительного канала в заданное число раз. Измерению подлежат пять КрФВ х1з х2, х3, Х4 и xs с размерами {х = {х2} = {х}, {х3} = {х4} = {х5} = {х0}. Если измерения искомой физической величины проводятся МИИ первого рода, то система когерентных нелинейных уравнений связи между величинами, которую необходимо решить для определения действительных значений параметров S H, S n и у 0 ФП (2.28), имеет вид
Методы избыточных измерений давления при кубично-экспоненциальной функции преобразования измерительного канала
При использовании МИИ точность измерения давления может быть увеличена путём уменьшения погрешности аппроксимации градуировочной характеристики измерительного канала [14, 48]. В частности, дополнительного повышения точности измерения можно достичь при аппроксимации ватт-вольтной характеристики приёмника оптического излучения не квадратичной, а кубической ФП [82]. Пусть, например, оптико-электронная ИИС содержит ВОДД, имеющий два рабочих ОК с экспоненциальными функциями преобразования (см. приложение Б), и два приёмника оптического излучения, принимающих сигналы с выходов ОК. Тогда реальные градуировочные характеристики измерительных каналов ИИС можно описать нелинейными ФП вида: Для данного случая был разработан МИИ первого рода, в основу которого положена ранее полученная математическая модель процесса избыточных измерений (2.29), (2.33) - (2.36). Сущность предложенного МИИ состоит в следующем. Сначала с помощью источника оптического излучения формируется поток Ф0, который направляется на чувствительный элемент ВОДЦ и, отражаясь от его поверхности, преобразуется в два модулированных давлением рх потока оптического излучения Фм1 и Фм2: Фм1 =рФ0ехр(-5;/7:с), Фм2=рФ0(к2-ехр(-8 лрх)). В тоже время с помощью дополнительного источника оптического излучения и оптической системы призм формируются два равные по мощности потока Ф!! и Ф12, причём Ф1, = Ф12 = S02I] I к2, где S02 - коэффициент преобразования тока в поток излучения; 1Х — электрический ток, питающий дополнительный источник оптического излучения (/j =10 - А/01); /0 нормированный по значению ток; Д/01 - нормированный по значению прирост тока.
Потоки оптического излучения Фм1 и Фп одновременно поступают на вход первого ПОИ и преобразуются в напряжение В то же время потоки оптического излучения Фм2 и Ф12 поступают на вход второго ПОИ и преобразуются в напряжение Полученные напряжения Uu и Un измеряются, а их значения запоминаются. Затем с помощью дополнительного источника оптического излучения и оптической системы призм формируются два других равных по мощности потока Ф2] И Ф22, ПрИЧёМ Ф21 =Ф22 =ф2 2 / 2 ГДе 2 _ ЭЛеКТрИЧеСКИЙ ТОК, ПИ тающий дополнительный источник оптического излучения (72 = IQ) Пары потоков Фм1 и Ф21, Фм2 и Ф22 поступают на входы приёмников оптического излучения и преобразуются в напряжения U2] и U22 : Данные напряжения измеряются, а полученные значения запоминаются. Потом формируется пара равных по мощности потоков Ф31 и Ф32, причём Ф31 =Ф32 = Ф2 з 2 гДе з — электрический ток, питающий дополнительный источник оптического излучения (I3=IQ + А/02); Л/02 - нормированный по значению прирост тока. Потоки оптического излучения Ф31 и Ф32 поступают на входы ПОИ одновременно с модулированными давлением потоками Фм1 и Фм2 и преобразуются в напряжения: Полученные напряжения измеряются, а их значения запоминаются. Затем формируются два равные по мощности потока Ф41 и Ф42 (Ф41 = ф42 = 5 ф2/1 / к2 ), которые с помощью ПОИ преобразуются в напряжения: Данные напряжения измеряются, а их значения запоминаются. После этого воспроизводятся два равные по мощности потока Ф51 и Ф52 (Ф51 = ф52 = S02I2 / к ), которые с помощью ПОИ преобразуются в напряжения: / 101 Значения, полученные в результате измерения напряжений U5i и U52, запоминаются. Далее формируются два равные по мощности потока Ф61 и Ф62 (Ф61 = Ф62 = SQ 2I3 / ki) которые с помощью ПОИ преобразуются в напряжения: Значения измеренных напряжений U6] и U62 запоминаются. Полученные результаты промежуточных измерений (3.33) - (3.44) подвергаются обработке с целью определения действительного значения искомого давления рх. Выведем соответствующее уравнение избыточных измерений. Ранее было получено обобщенное уравнение избыточных измерений (2.36), позволяющее определить действительное значение искомой ФВ при кубической ФП измерительного канала. Приняв, что yi—Uu,y2=U2l,y3=U3l,y4=U4l,y5 = U5l,
Анализ точностных характеристик информационно-измерительной системы на основе трехканального волоконно-оптического датчика давления
Как было показано в п. 3.4, при нормальных условиях номинальная гра-дуировочная характеристика измерительного канала ИИС на основе ВОДД, оптическии канал которого конструктивно выполнен в виде подводяще-отводящего волоконного световода, описывается следующей функцией преобразования Юнга и коэффициент Пуассона материала мембраны; klt к2, к3 — постоянные коэффициенты {к =1, к =2, к =3); Ф0 -поток оптического излучения, генерируемый источником оптического излучения; р0 — коэффициент, характеризующий неинформативные потери потока оптического излучения при его прохо ждении по оптическому каналу; 0д и гс - апертурный угол и радиус сердцевины волоконного световода; d0 - начальное расстояние между центром отражающей поверхности мембраны и торцом волоконного световода; Т0 — нормальная абсолютная температура среды, в которой находится фотодиод и усилитель на-пряжения (Т0 =273 К); к - постоянная Больцмана (к = 1,38-10 Дж/К); q заряд электрона {q = 1,60-10 Кл); Sj и Is — токовая чувствительность и тем-новой ток фотодиода; кУС - коэффициент усиления усилителя напряжения; U0 — опорное напряжение. Реальные условия эксплуатации ИИС, как правило, существенно отличаются от нормальных. Воздействие дестабилизирующих факторов окружающей среды на элементы ИИС вызывает изменения значений параметров ФП и приводит к несоответствию реальной градуировочной характеристики измерительного канала ИИС приписанной ему номинальной градуировочной характеристике. В результате возникает дополнительная погрешность результата измерения. Известно [105], что основными дестабилизирующими факторами, воздействующими на элементы измерительного канала оптико-электронной ИИС, являются температура окружающей среды и механические вибрации.
В частности, изменение температуры окружающей среды вызывает изменение: - коэффициента усиления кус усилителя напряжения; - токовой чувствительности Sj и темнового тока Is фотодиода; - мощности потока Ф0, испускаемого источником оптического излучения; - радиуса RM и толщины hu мембраны датчика давления; - модуля Юнга Ем материала мембраны; - толщины d0 прокладки, задающей расстояние между поверхностью мембраны и торцами волоконных световодов; - напряжения и0, формируемого источником опорного напряжения. Воздействие механических вибраций приводит к изгибам волоконно-оптического кабеля, что проявляется в изменении значения коэффициента р0, характеризующего неинформативные потери потока оптического излучения Ф0 при его прохождении по оптическому каналу. С учётом сказанного реальную ФП измерительного канала ИИС можно представить в следующем виде: где S Hl(Txl), 5 (7;,. Тх2, р), dQ{TxX, Тх2, р), U 0(Tx]) - параметры реальной ФП измерительного канала, учитывающие влияние температуры и механических вибраций; Тх] - абсолютная температура среды, в которой находится фотодиод, усилитель напряжения и источник опорного напряжения; Тх2 — абсолютная температура среды, в которой находится датчик давления; р — реальный коэффициент неинформативных потерь потока оптического излучения в ОК. Проведенные исследования показали, что параметры ФП связаны с температурами Тх] и Тх2 и коэффициентом р следующими аналитическими выражениями: кус(Тх\) УС( 1 + а\с(Тх\ о)) зависимость коэффициента усиления усилителя напряжения о г температуры; аУС — коэффициент характеризующий изменение коэффициента усиления вследствие изменения температуры окружающей среды; где St (Txl) = SI(ki -а Л7(Гд1 — 7J})) — температурная зависимость токовой чувствительности фотодиода; aS! — температурный коэффициент токовой чувствительности фотодиода; l s(Tx])-Is exp[ahqUK(Tx] -Т0)/ (kTxlTQ)] -температурная зависимость темнового тока фотодиода; UK — контактная разность потенциалов на границе раздела областей с проводимостями п- и /?-типа; ah — температурный коэффициент темнового пжа фотодиода; Ф 0(ТХІ) = Ф0єхр[-аФ0(Тх]-Т0)] — температурная зависимость мощности оптического излучения светодиода; аФ0 — температурный коэффициент источника оптического оптического излучения; м( с2) = - м( і + ам( с2 - о)) температурная зависимость радиуса мембраны; (Тх2) = hM(k\ +аи(Тх2 -То)) температурная зависимость толщины мембраны; аш - температурный коэффициент линейного расширения материала мембраны; Е11(Тх2) = Ем(к1 + аЕм(Тх2-Т0)) - температурная зависимость модуля Юнга; аЕм - температурный коэффициент модуля Юнга; где CIQ(TX2) = J0( i + n( c2 TQ)) - температурная зависимость толщины прокладки, задающей расстояние между поверхностью мембраны и торцами волоконных световодов; ап — температурный коэффициент линейного расширения материала прокладки;
