Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы и постановка задачи исследования 12
1.1. Аналитический обзор существующих средств и методов измерения координа струнных отвесов гидротехничеких сооружений 12
1.2 Анализ точности индукционных преобразователей координат 16
1.3 Постановка задачи исследования 32
1.3.1. Предпосылки создания новой технологии измерения координат струнных отвесов 32
1.3.2. Возможные направления на пути создания измерителя координат нового типа 34
1.3.3. Формулировка задачи исследования 38
1.4 Выводы по главе 40
2. Исследование возможности измерения малых перемещений оптоэлектронными методами 42
2.1 оцЕнка основных оптических параметров оптоэлектроннои системы 42
2.1.1 Основные требования к оптической системе, общие соотношения 42
2.1.2 Оценка разрешающей способности и глубины резкости оптической системы 44
2.1.3 Оценка светотехнических параметров оптической системы 46
2.1.4 Влияние смещения объектива перпендикулярно к оптической оси 48
2.1.5 Смещение предмета вдоль оптической оси 49
2.1.6 Использование диафрагм 53
2.1.7 Пример расчёта оптической системы 56
2.2 Выбор и обоснование типа оптоэлектронного сенсора 61
2.3 Разработка алгоритма измерений 67
2.3.1 Определение уравнения связи координат регистрируемого объекта с показаниями фотоэлектронных преобразователей 67
2.3.2 Исследование алгоритмов определения координаты изображения объекта на поверхности фотоприемника 73
2.4 Выводы по главе 79
3. Общая математическая модель оптоэлектроннои системы и метрологическое обеспечение измерений 81
3.1 Математическая модель оптоэлектроннои системы 81
3.1.1 Математическая модель фоно-целевой обстановки 82
3.1.2 Математическая модель оптического преобразования 86
3.1.3 Математическая модель оптоэлектронного преобразования 89
3.1.4 Методика моделирования оптоэлектронной системы на ЭВМ 91
3.2 Основные источники погрешности и способы их минимизации 95
3.2.1 Шумы и искажения фотоприёмных матриц 96
3.2.2 Аналогово-цифровое преобразование 101
3.2.3 Погрешности измерения временных параметров сигнала 103
3.3 Влияние случайных отклонений параметров оптической системы на общую погрешность измерения. 107
3.4 Выводы по главе 112
4. Результаты экспериментальных работ и направления дальнейшего развития технологии 115
4.1 Некоторые результаты цифрового моделирования и теоретических расчётов на эвм 115
4.2 Описаниеиспытательного стенда и результатыработыэкпериментального макета . 118
4.3 Результаты лабораторных испытаний экспериментального образца 123
4.4 Результаты опытной эксплуатации устройства на метрологической точке плотины 131
4.4 Перспективы переноса технологии на другие задачи измерений - геодезический струнный створ 135
4.5 Выводы по главе 140
Заключение 142
Список использованных источников
- Анализ точности индукционных преобразователей координат
- Оценка разрешающей способности и глубины резкости оптической системы
- Методика моделирования оптоэлектронной системы на ЭВМ
- Описаниеиспытательного стенда и результатыработыэкпериментального макета
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из тенденций развития современного общества является повышение требований к промышленным предприятиям с точки зрения сохранения экологии окружающей среды и рационального природопользования, что, в свою очередь, порождает спрос на технологии мониторинга природно-техногенной сферы и обеспечения безопасности промышленных объектов.
Плотины гидротехнических сооружений являются объектами повышенной опасности и требуют непрерывного всеобъемлющего контроля за состоянием их целостности и прогнозирования динамики их прочности как в период строительства, так и в период эксплуатации, что отражено в Федеральном законе о безопасности гидротехнических сооружений и иных нормативных актах Российской Федерации.
Особую важность представляет проблема геодезического контроля плановых смещений тела плотины, которая в общем случае решается измерением смещений контрольных точек от положения вертикальных струнных отвесов, заложенных в конструкцию гидротехнического сооружения на этапе строительства.
Имея достоверную информацию о перемещении системы струнных отвесов, можно не только оценить текущие смещения тела плотины, но и осуществлять краткосрочный и долговременный прогноз поведения плотины в периоды наполнения и сброса воды.
В настоящее время в России автоматизированное измерение плановых смещений контрольных точек плотины по прямым и обратным струнным отвесам производится двухкоординатными преобразователями координат индуктивного типа.
Проведённый анализ выявил, что данные средства измерения на сегодняшний день в моральном и техническом плане полностью устарели, обладают рядом существенных недостатков: малое межградуировочное время, аналоговый интерфейс, низкая помехоустойчивость и др., вследствие чего требуют серьёзной модернизации или полной замены.
В то же время анализ научно-технической информации по проблеме измерений координат струнных отвесов гидротехнических сооружений позволяет сделать вывод, что существующие в мировой практике альтернативные методы и средства измерений (оптико-механические и оптоэлектронные) также обладают рядом значительных недостатков, среди которых общими являются низкий уровень автоматизации и высокая стоимость установки и эксплуатации изделий.
Например, цена ручного оптического координатографа производства «Фрайбергер прецизионс-механик-ГмбХ», Германия при точности измерений в 100 мкм составляет порядка 10000$. Неавтоматизированный оптический «Ecartometr» (Германия) при точности 100 мкм и диапазоне перемещений 25мм предлагается за 6500 Euro.
Таким образом, проблема автоматизированного геодезического контроля гидротехнических сооружений и получения качественной оперативной информации о состоянии плотины продолжает оставаться весьма актуальной, учитывая, что данная проблема напрямую связана с проблемой безопасности целых регионов.
Применение системного подхода позволяет сделать вывод, что наиболее оптимальный результат по критерию цена/качество на пути решения обозначенной проблемы состоит в разработке новой оптоэлектронной технологии измерений, с использованием датчиков координат нового типа, на основе современных достижений микроэлектроники, схемотехники, приборостроения, технологий создания и управления корпоративными базами данных, а также современных методов построения сетей передачи данных по цифровым каналам связи.
Тема работы соответствует следующим позициям перечня «Приоритетные направления развития науки и техники и критические технологии федерального уровня»/1/:
Экология и рациональное природопользование:
• Технологии мониторинга природно-техногенной сферы.
• Технологии обеспечения безопасности продукции, производства и объектов.
Информационные технологии и электроника:
• Опто- и акустоэлектроника.
Целью работы является разработка оптоэлектронной технологии измерений координат струнных отвесов гидротехнических сооружений, позволяющая получить оценку координат струнного отвеса на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник, и включает в себя в т.ч. следующие задачи исследования:
1. Исследование и научное обоснование оптоэлектронного метода измерений координат протяжённого объекта на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник.
2. Разработка методики расчёта оптической системы, позволяющей получить на поверхности фотоприёмного устройства изображение регистрируемого объекта требуемого качества и масштаба при заданных условиях измерений.
3. Разработка математической модели оптоэлектронной системы как инструмента для моделирования процесса измерений с целью оценки параметров оптоэлектронной системы при заданной точности измерений.
4. Экспериментальное исследование оптоэлектронного метода измерений по п.1, в т.ч. создание опытного образца измерителя и оценка достигаемой точности измерений.
5. Исследование методов определения координаты изображения объекта на поверхности фотоприёмника.
6. Исследование и оценка факторов, влияющих на точность измерений.
7. Исследование возможности переноса технологий оптоэлектронных измерений на другие задачи измерений в геодезии.
Методы исследования. В диссертационной работе, для решения поставленных задач использовались методы геометрической и дифракционной оптики, метрологии, математической статистики, теории вероятностей, математический анализ, экспериментальные методы, методы вычислительного моделирования.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
• Комплексно исследована проблема дистанционного контроля плановых смещений данной точки гидротехнического сооружения от положения вертикали струнного отвеса.
• Дано научное обоснование оптоэлектронного метода и алгоритма измерений координат протяжённого объекта на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник
• Разработана математическая модель оптоэлектронной системы для исследуемой задачи, позволяющая оценить параметры оптоэлектронной системы при заданной погрешности измерений
Практическая значимость и внедрение результатов исследований: На основе разработанной методики расчёта оптической системы реализован программный продукт, позволяющий производить оценку основных параметров оптической системы для заданных условий измерений, полученные результаты использованы при решении практических задач, связанных с экспериментальной проверкой предложенного метода измерения.
По результатам исследований в 2003г создан экспериментальный образец оптоэлектронного устройства для измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений ФПКС-1, в апреле 2003г. прошедший испытания в лаборатории ЛГТС ОАО "Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С. Непорожнего", при этом среднеквадратичная ошибка измерений координат не превысила ±25мкм по каждой координате. По результатам испытаний экспериментальный образец был передан в опытную эксплуатацию на метрологическую точку плотины Саяно-Шушенской ГЭС, которая проводились в период с 25.04.2003г. по 08.10.2003г.
С учётом полученных научных и практических результатов создан модернизированный вариант ФПКС-2, в 2004г прошедший испытания для целей утверждения типа средств измерений «Фотоэлектронные преобразователи координат струнных отвесов ФПКС-2» в Госстандарте РФ.
Два промышленных образца изделия ФПКС-2 в настоящее время установлены на метрологических точках плотины Саяно-Шушенской ГЭС.
Результаты диссертационной работы вошли в проведённые на базе НТЦР «Мезон», КГТУ, г. Красноярск, в 2001-2004гг. следующие НИОКР:
1) На основе проведённой в 2001г. НИР "Анализ состояния и разработка технических предложений по модернизации систем автоматизированного контроля гидротехнических сооружений Саяно-Шушенской ГЭС. I этап. Оптимизация технических решений. Договор № 1/01/185 от 12.03.01" было сделано общее теоретическое обоснование необходимости кардинальной смены технологии измерения координат струнных отвесов и предложен оптоэлектронный метод измерений координат на основе показаний двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник.
2) В соответствии с планом НИОКР по ОАО «Саяно-Шушенская ГЭС им П.С. Непорожнего» на основании договора №2/02 от 20 мая 2002г. была проведена НИР "Разработка системы фотооптического преобразователя координат для контроля плановых смещений. II этап. Разработка и изготовление экспериментального датчика ПФК СО". В работе произведено основное теоретическое и экспериментальное обоснование предложенного метода измерений, предложены инженерные формулы для оценки параметров оптической системы. 3) В НИОКР "Разработка и ввод в эксплуатацию автоматизированного геодезического створа плотины Зейской ГЭС. Шифр «Створ 1». I этап. Выбор технических решений", проведённую на основании договора №3/02 от 25 февраля 2003г между НТЦР «Мезон» и ОАО «Зейская ГЭС» был сделан аналитический обзор возможных методов реализации геодезического створа на верхней кромке плотины Зейской ГЭС, приводятся расчетные оценки достижимой точности измерений. Отдельная глава посвящена исследованию возможности построения струнного створа с использованием разработанного оптоэлектронного метода контроля смещений струнных отвесов. Результаты, полученные в диссертации, позволили повысить точность и достоверность определения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений при полной автоматизации процесса измерений и существенном снижении стоимости эксплуатации соответствующего сегмента АСУ.
Достоверность научных и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается согласованием теоретических расчётов, математического моделирования и экспериментальных исследований, а также:
• актами о внедрении результатов диссертационной работы
• свидетельством №10-502 от 03.06.2004г о поверке средства измерений «Фотоэлектронные преобразователи координат струнных отвесов ФПКС-2», выдано ФГУП «Сибирский Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Метрологии», г.Новосибирск.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Аналитические выражения, составляющие уравнение связи координат струнного отвеса с параметрами сигналов с двух ортогональных оптоэлектронных систем, позволяющее исключить методическую погрешность измерения координат вследствие зависимости показаний оптоэлектронной системы от расстояния до объекта.
2. Промышленный оптоэлектронный прибор для измерения координат струнных отвесов с точностью не хуже ±100 мкм в диапазоне перемещений струны ±50 мм.
3. Результаты вариационного анализа влияния случайных отклонений параметров оптической системы на общую погрешность измерения.
Апробация работы и публикации: Результаты проводимых исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» в г. Красноярске (2002, 2003, 2004гг), а также на ряде научно-технических советов на ведущих предприятиях гидроэнергетики.
По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в том числе одна статья в рецензируемом журнале «Гидротехническое строительство», подана авторская заявка на изобретение. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ вошли в отчеты по 3-м НИОКР.
Структура и объём диссертации:
Диссертация содержит основной текст на 156 с, 40 иллюстраций, в т.ч. 4 фотографии, 6 таблиц, приложения на 5 с, список использованной литературы из 45 наименований, в т.ч. публикации автора.
Личный вклад автора: в защищаемых материалах автору принадлежит: исследование и разработка теории оптоэлектронного преобразования применительно к исследуемой задаче, разработка и исследование математической модели оптико-электронного преобразования на ЭВМ, исследование ошибок, разработка опытного образца прибора, его лабораторные и натурные испытания.
Анализ точности индукционных преобразователей координат
Схема измерений координат струнных отвесов: 1 — струна прямого или обратного отвеса, 2 - труба, 3 - катушки преобразователя, 4,6,10 -соединительные кабели, 5 - генератор высокой частоты, 7 - активный фильтр, 8 -преобразователь переменного напряжения, 9 - преобразователь напряжение-частота, 11 - блок обработки.
В данной конструкции регистрируемым параметром является разность ЭДС, наведённой струной с током в каждую пару катушек.
Функция преобразования ПИДС задается таблично в виде алгебраической поверхности, параметры которой для каждого ПИДС занесены в информационную базу системы.
Однако, как показывает опыт использования этих изделий, в реальных условиях подобные устройства не обеспечивают необходимой точности и стабильности измерений в силу высокой чувствительности к воздействию внешней среды и старению конструкционных материалов. Следствием этого является необходимость периодической градуировки преобразователей на специальном оптическом стенде, что при большом числе таких преобразователей (около 700 шт.) требует дополнительных затрат труда обслуживающего персонала и, кроме того, не исключает случайных выбросов показаний за счет влияния различных производственных факторов.
Известен зарубежный аналог ПИДС - PI-30 Telependulum, производство фирмы «Roctest», Канада, США, (www.roctest сот\ к недостаткам которого дополнительно относится то, что для установки датчика необходимо переустанавливать существующий отвес.
Существующие опто-электронные устройства для измерения координат струнных отвесов представлены исключительно образцами зарубежного производства (таблица 1,2), совокупная стоимость установки и ввода в эксплуатацию таких изделий составляет десятки тысяч долларов США за одну метрологическую точку, что уже само по себе является существенным недостатком, учитывая общее количество метрологических точек на плотине.
Кроме того» к недостаткам существующих устройств измерения относится непроработанность системной части устройства, т.е. построение достаточно большой системы датчиков на основе известных устройств потребует дополнительных усилий и средств в части передачи, обработки и анализа результатов измерений. www.rocteslcom
Анализ точности индукционных преобразователей координат К числу основных факторов, влияющих на точность измерения, относятся /3/: 1) Изменение температуры 2) Старение конструкционных материалов 3) Нестабильность параметров источника питания. 4) Нестабильность коэффициента передачи линии. 5) Нестабильность коэффициента передачи ППН и ПАЧ. 6) Дрожание струны. 7) Индустриальные электромагнитные помехи, наводящиеся как на катушки, так и на струну. 8) Наличие металического мусора, изменяющего градуировочную характеристику прибора.
Произведем анализ факторов, обуславливающих необходимость проведения периодической градуировки ПИДС. На рисунке L2 изображена схема расположения измерительных катушек относительно струны и направление магнитного поля тока струны.
Оценка разрешающей способности и глубины резкости оптической системы
Для расчёта линейной разрешающей способности в плоскости изображения системы, (т.е. способности оптической системы изображать раздельно две близлежащие точки) используют следующее соотношение /10, с.97-99/, определяемое из дифракционной теории строения изображений: =±= L (2.10) D 2а У здесь Л - длина световой волны, мм (для видимого света принимается Ы),00059мм); D - диаметр зрачка выхода системы, мм; а - апертурный угол в пространстве изображений, т.е угол между лучом, приведенным из края зрачка выхода, и оптической осью; Для расчёта глубины резкости оптической системы, работающей на конечное расстояние, существует универсальное соотношение /10, с.102-103/:
Таким образом, резкость изображения будет неизменна при перемещении предмета наблюдения в промежутке между двумя плоскостями (ближний и дальний планы), отстоящими от расчётной плоскости предметов на расстояния, равные L При этом диаметры кружков рассеяния не будут превышать диаметров, определяемых разрешающей способностью системы.
Приведённые соотношения (2.10) и (2Л1) являются теоретическими, т.е. показывают достижимый предел для конкретной оптической системы. При этом предполагается, что световая волна искажается не более чем на V X (критерий Рэлея). В реальных же системах вследствие аберраций, неоднородности материала, некачественного изготовления и сборки могут быть значительно большие искажения (до 1АХ). В хороших системах разрешающая способность может быть ниже теоретической на 10%, в удовлетворительных - на 15% и ниже.
В тоже время аберрации любой оптической системы могут быть скорригированы (снижены) до такого уровня, при котором приёмник оптического излучения вследствие ограниченности разрешающей способности практически не будет воспринимать искажений. Методика расчёта монохроматических и хроматических аберраций изложена, например, в /9/.
Т.к. разрабатываемый оптоэлектронный преобразователь относится к классу измерительных систем, в дальнейших рассуждениях будем исходить из того, что качество оптической системы удовлетворяет критерию Рэлея (волновая аберация не превышает четверти длины волны в рабочем диапазоне волн) и критерию Штреля (отношение освещённости центра точки изображения к освещённости точки предмета), согласно которому аберрации оптической системы не превышают величины, при которой определительная яркость (число Штреля) оптической системы уменьшается до 0,8.
Между тем вследствие явления дифракции даже хорошо исправленная в отношении аберраций система не может дать изображения точечного объекта в виде точки. Распределение освещённости в дифракционном пятне рассеяния учитывается функцией рассеяния точки (ФРТ) оптической системы, аспекты влияния которой на процесс оптоэлектронного преобразования подробно изложены ниже.
Минимальное угловое расстояние между изображениями двух равноярких точек, которые могут быть в принципе различимы оптоэлектронным прибором, можно оценить по эмпирической формуле /9, с-202/:
К настоящему время существуют и более совершенные методы исследования качества оптических систем, например, метод функции передачи модуляции (ФПМ)» основанный на определении степени несоответствия распределения освещённости в изображении распределению яркости в предмете, В настоящей работе они не рассматриваются, т.к. критерии качества изображения таких методов не соответствуют поставленной задаче, а находят применение при решении задач другого класса» например, высокоточной фотографии и астрономических наблюдениях,
Основными светотехническими параметрами оптической системы являются следующие величины: световой поток» освещённость предмета и изображения» светосила-Освещённость в плоскости изображений для объектов конечных размеров, лк /10, с. 117-118/:
Методика моделирования оптоэлектронной системы на ЭВМ
Внутренние помехи фотоприёмных матрицами на основе ПЗС обусловлены, главным образом, искажениями из-за неэффективности передачи заряда, собственными шумами матрицы и шумами считывания. Однако следует отметить, что в последние годы разработаны матрицы с низким уровнем собственных шумов и искажений. Так, существенное увеличение эффективности переноса заряда было достигнуто путём внедрения технологии объёмного канала, снижение собственных шумов получено за счёт охлаждения матриц с помощью термоэлектрических холодильников на эффекте Пельтье- Шумы считывания уменьшены путём применения более совершенных устройств — распределённых усилителей с плавающим затвором, использующих принцип двойной коррелированной выборки /23/.
Математическая модель шумов и искажений фотоприёмных матриц довольно подробно разработана в работе /23/, в данном параграфе использованы основные соотношения указанной работы применительно к исследуемой задаче.
Рассмотрим ПЗС, когда он находится в режиме накопления, но заряд в него не вводится не электрическим, ни оптическим путём (рисунок 3.5). В этом случае все МОП-конденсаторы, из которых состоит матрица, находятся в состоянии глубого обеднения- Носители, образованные под действием термогенерации, будут собираться в потенциальных ямах. Ток, обусловленный этими носителями, называют темновым. Число электронов, накопленных под одним электродом, можно определить выражением /23, с.73/: qT= Jd иа (3,26) е где S — площадь электрода; jd- плотность темнового тока; нак - время накопления; е - заряд электрона;
Если зарядовый пакет выводится из-под электрода с номером я, то сигнал на выходе ПЗС возрастёт на величину где /т- тактовая частота переноса.
Влияние темнового тока в некоторой степени можно подавить, например, путем записи и вычитания «темнового» кадра. Более серьёзную проблему представляют шумы матрицы, которые можно разделить на два типа: временные и геометрические, К временным шумам относятся фотонный шум, флуктуационный шум, шум захвата, а также шумы, вносимые при преобразовании сигнала на выходе ПЗС. Геометрическим шумом называется неоднородность выходного сигнала, поступающего от разных элементов ПЗС при отсутствии засветки. Рассмотрим эти шумы.
Эмиссия фотонов из любого источника - случайный процесс, поэтому и число фотоэлектронов, накопленных в потенциальной яме, является случайной величиной- Процесс накопления фотоэлектронов подчиняется закону Пуассона, для которого ф Чфот где сГф - среднеквадратическое значение шумовых электронов, генерируемых под воздействием светового излучения; q. - число электронов, накопленных под воздействием светового излучения.
Процесс термогенерации подобен генерации под действием светового излучения, поэтому шум темнового тока также описывается распределением Пуассона- Однако причины, вызывающие шум темнового тока, иные, и связаны они с дробовым эффектом. Среднее число «темновых» электронов, накопленных под одним электродом за время Г, описывается выражением (3.26), а среднеквадратичное значение, определяемое как &4T= qTi характеризует шум темнового тока.
В процессе вывода заряда термогенерация продолжается, за счёт чего к зарядовому пакету добавляется некоторое количество электронов, определяемое числом актов передачи п в соответствии с (3.27), и появляется дополнительный шум, среднеквадратическое значение которого по закону Пуассона равно
Суммарную дисперсию шума, вносимого темновым током» можно определить как е е-/т Для матриц с поверхностным каналом наиболее существенными являются шумы, связанные с поверхностными состояниями. Поэтому использование таких матриц для задач измерений нецелесообразно, т.к, для современных фотоэлектронных матриц с объёмным каналом шумы, связанные с захватом на объёмные ловушки существенно меньше, чем аналогичные шумы матриц с поверхностным каналом, и значительно меньше шумов темнового тока и считывания, в связи с чем моделирование этого вида шумов здесь опускается.
Рассмотрим кратко геометрический шум- Основным его источником являются локальные участки с повышенным темпом генерации-рекомбинации в приповерхностном слое кремния и на границе с диэлектриком (S1O2 или обратно смещённым р-п переходом)- Количество локальных участков и амплитуда паразитных сигналов зависит от качества кремния и содержания в нём примесей. Неоднородность выходного сигнала минимальна в темновом режиме и возрастает с освещённостью- Т.к. геометрические неоднородности такого типа чётко локализованы, их можно запомнить и скомпенсировать на выходе.
Описаниеиспытательного стенда и результатыработыэкпериментального макета
Структурная схема электронной части макета: МК -микроконтроллер, ЗВД — задающая временная диаграмма, ФУС — формирователь уровней сигналов, МФПУ - модуль фотоприёмного устройства, ИП - источник питания, СТ - сторожевой таймер, ИФ - интерфейсное устройство В качестве оптической системы использовался фотоаппарат «СМЕНА-9» со следующими установками объектива: Расстояние до предмета 1 м (минимальное расстояние данного объектива) Диафрагма установлена в положение «4» (объектив полностью открыт)
В качестве оптоэлектронного преобразователя использовалось линейное многоэлементное фотоприёмное устройство с внутренней коммутацией (отттоэлектронная матрица) ФУК 1ЛЗ-2? производства НПО «Восток», Новосибирск.
Оптоэлектронная матрица монтировалась в заднюю крышку фотоаппарата таким образом, чтобы поверхность фотоприёмника находилась в плоскости, в которой обычно находится фотоплёнка.
Струна с подвешенным к ней грузом и отражающий экран крепились на специальном каркасе, перемещение струны измерялось с помощью штангенциркуля, вся установка освещалась обычным светильником с лампой мощностью 100 Вт.
В данном варианте макета производились наблюдения тёмной струны на светлом фоне- Преобразованное в электрической сигнал изображение струны дополнительно регистрировалось двухлучевым осциллографом, засинхронизированного одним из сигналов задающей временной диаграммы (ЗВД) ФУК 1ЛЗ-2.
Микроконтроллер датчика по заданному алгоритму определял положение фронта и среза импульса, соответствующего изображению струны относительно ЗВД, вычислял щ и передавал полученные значения по последовательному порту на ЭВМ.
Цель испытаний — первоначальная проверка работоспособности разработанных устройств и алгоритмов, приближённая оценка чувствительности измерительного прибора к изменению координат объекта наблюдения и действию внешних факторов (изменение освещённости и др.)
Проведённые испытания показали линейность зависимости пх от координаты струны х при неизменной координате у (рисунок 4,7), что соответствует результатам теоретического анализа гл. 2.
На рисунке 4.7 показаны усреднённые значения измеряемой величины. Разброс значений в каждой точке составлял не более 1-2х единиц, что с учётом количества преобразований исходной физической величины яляется вполне допустимым. В соответствии с графиком чувствительность прибора составляет 10 пикселей/мм.
Относительно малое приращение пх относительно смещения х объясняется большим углом обзора объектива, в связи с чем области изменения х соответствует небольшая область значений пх.
При передаче измеренных значений на ЭВМ, помимо обычного контроля на чётность, осуществлялся контроль передаваемых данных посредством контрольных сумм, при этом ни одного случая несоответствия данных контрольной сумме отмечено не было.
Испытания макета также показали, что разработанное устройство пригодно для использования в широком диапазоне освещённости струны (при хорошей настройке прибор сохраняет неизменность показаний при отключении светильника).
Специальные исследования зависимости показаний прибора от расстояния до струны не проводились, т.к. параметры оптической системы фотоаппарата не соответствуют расчётным соотношениям главы 2. Тем не менее, приближённый эксперимент показал, что для данной установки указанная зависимость выражена слабо, что можно объяснить качеством объектива (большой глубиной резкости).
В связи с этим одним из направлений уменьшения влияния зависимости непосредственно измеряемой величины пх от расстояния до струны может быть использование при измерениях фотографических объективов с большой глубиной резкости, что, однако, может привести к существенному увеличению стоимости изделия- Тем не менее, использование таких приборов может быть оправдано при измерениях только одной координаты и при решении других измерительных задач.
Проведённые испытания подтвердили основные теоретические соотношения и показали высокую стабильность измерений, вследствие чего позволили сделать общий вывод о пригодности разработанных устройств и алгоритмов для проведения измерений в соответствии с техническим заданием.
