Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА1. Сравнительный анализ методов и средств измерения крутящего момента. определение путей улучшения метрологических характеристик измерения крутящего момента . 23
Постановка задачи
1.1. Сравнительная характеристика основных методов измерения крутящего момента 24
1.2. Способы и средства снятия информации о КМ с вращающегося вала. Их основные характеристики и ограничения 31
1.3. Применение кодирующего преобразователя угла для измерения крутящего момента 33
1.4. Применение оптического волокна для измерния крутящего момента 37
1.5. Выводы по главе. Постановка задачи 42
ГЛАВА 2. Разработка и исследование цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента 45
2.1. Цифровой волоконно-оптический метод измерения крутящего момента и базовая модель ЦВОДКМ 46
2.2. Вал, как объект измерения и как элемент базовой модели цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента . 51
2.3. Определение основных метрологических характеристик базовой модели цифрового волоконно-оптического метода крутящего момента 56
2.4. Анализ погрешностей функционального узла "смещение-код" базовой модели цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента 59
2.4.1. Анализ погрешности квантования 59
2.4.2. Анализ погрешности дискретизации 64
2.4.3. Анализ погрешности воспроизведения уровней квантования 65
2.4.4. Вероятностная методика оценки погрешности базовой модели цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента 67
2.4.5. Вычисление параметров базовой модели 72
2.5. Анализ методов уменьшения погрешности базовой модели цифрового волоконно- оптического метода измерения крутящего момента 76
2.5.1. Проблема неоднозначности считывания ин формации и её влияние на погрешность из мерения. Связь информационных и точностных параметров базовой модели цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента 76
2.5.2. Анализ нониусного метода уменьшения погрешности измерения 82
2.5.3. Анализ интерполяционного метода уменьшения погрешности. Определение координат светового пятна
2.6. Выводы по главе 90
ГЛАВА 3. Разработка и исследование цифровых волоконно-оптических датчиков крутящего момента 92
3.1. Цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента с использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на валу, в качестве кодового преобразователя угла 93
3.2. Цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента с накладным кодовым преобразователем угла (кодирующей маской) и использованием волоконно-оптического жгута, расположенного навалу, в качестве линии передачи 100
3.3. Цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента с использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на неподвижном основании 103
3.4. Цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента с использованием во локонно-оптического жгута, расположен ного на валу и кодового преобразователя угла, выполненного в виде фоточувстви тельной ПЗС-матрицы 107
3.5. Разработка рекомендаций по применению цифровых волоконно-оптических датчиков крутящего момента в зависимости от метрологических и эксплуатационных требований различных вычислительно-управляющих комплексов ПО
3.6. Выводы по главе 119
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования метрологических характеристик цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента 121
4.1. Экспериментальный базовый стенд для исследования метрологических характеристик ЦВОДКМ 122
4.2. Методика проведения экспериментальных исследований на экспериментальном базовом стенде 127
4.3. Исследование инструментальной погрешности экспериментального базового стенда, определяемой радиусом кривизны установочных дисков 129
4.4. Анализ результатов экспериментальных исследований 131
4.5. Метрологические характеристики семейства цифровых волоконно-оптических датчи ков крутящего момента 136
4.6. Выводы по главе 137
Заключение 139
Приложение 142
Список литературы
- Способы и средства снятия информации о КМ с вращающегося вала. Их основные характеристики и ограничения
- Вал, как объект измерения и как элемент базовой модели цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента
- Цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента с накладным кодовым преобразователем угла (кодирующей маской) и использованием волоконно-оптического жгута, расположенного навалу, в качестве линии передачи
- Методика проведения экспериментальных исследований на экспериментальном базовом стенде
Введение к работе
Актуальность темы. Современные информационно-измерительные системы, применяемые в энергетике, нефтегазодобывающей отрасли, на транспорте, представляют собой сложные вычислительно-управляющие комплексы, содержащие как собственно электрические, так и электромеханические устройства. Основой электромеханических устройств, как правило, являются вращающиеся валы, предназначенные для передачи механической энергии от силовых агрегатов к исполнительным. Диапазон применения указанных электромеханических устройств чрезвычайно широк: от приводов и шаговых двигателей дисковых накопителей и устройств чтения оптических дисков до ведущих валов турбин, двигателей летательных аппаратов и электрических машин.
Повышение эффективности метрологического контроля параметров вращения валов обеспечивает повышение эффективности вычислительно-управляющих комплексов в целом. Одним из важных параметров, требующих постоянного контроля, является крутящий момент (КМ), по которому оцениваются основные характеристики указанных комплексов (мощность двигателей, КПД, динамика нагрузочных характеристик и т.д.).
Тематика и постановка задач, решаемых в данной диссертации определена планами научных исследований, являющихся составной частью Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.» и Федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.», выполняемых на кафедре радиоэлектронных и квантовых устройств Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.
Для экспериментального определения КМ применяются разнообразные измерительные методы и средства, отличающиеся друг от друга различной степенью сложности, метрологическими характеристиками, областью применения и т.п. Повышение требований к точности измерения КМ определяет необходимость улучшения точностных характеристик датчиков КМ и измерительных преобразователей, входящих в их состав, повышения помехоустойчивости (в частности, решения вопросов улучшения электромагнитной совместимости), уменьшения массогабаритных показателей, повышения надежности при эксплуатации в неблагоприятных условиях. Выполнение этих требований в рамках существующих методов связано с большими затратами и ведет к значительному усложнению конструкции датчиков КМ.
Современный этап развития датчиков КМ основывается на использовании новых (для данной области измерений) методов, имеющих значительный потенциал. Особое место среди них занимают методы, основанные на применении элементов оптоволоконной техники, что позволяет заметно повысить метрологические характеристики датчиков КМ, повысить их помехоустойчивость, расширить область применения, снизить требования, связанные с условиями эксплуатации, упростить конструкцию и уменьшить затраты, связанные с их изготовлением.
Не менее важное место занимает использование цифровых методов для измерения крутящего момента (КМ). Учитывая то, что в настоящее время большое распространение получили интегрированные системы сбора и обработки информации, которые объединяют все датчики вычислительно-управляющего комплекса в единую измерительную сеть на основе высокопроизводительных микропроцессоров, цифровые методы измерения КМ являются наиболее предпочтительными.
Таким образом, применение комплексного решения основанного на синтезе датчиков КМ, использующих оптоволоконные и цифровые методы измерений может заметно повысить метрологические, эксплуатационные и другие характеристики датчиков КМ.
Следует отметить, что в данном направлении проводился ряд исследований как иностранными (Fuhrer J., Maghoo М., Окоси Т.), так и отечественными учеными (А.С.Капустин, В.М.Гречишников, П.И.Марков, В.Л.Заковоротный, П.Майоров). Публикации указанных авторов, посвященные разработке либо цифровых, либо волоконно-оптических датчиков КМ, содержат в себе решения лишь частных вопросов. В их работах не ставилось целью создание и анализ характеристик комплексных цифровых волоконно-оптических датчиков КМ (ЦВОДКМ). Это обстоятельство не позволяет сделать обоснованный выбор вида и параметров ЦВОДКМ, обеспечивающий выигрыш в их точностных характеристиках и повышении помехоустойчивости. Остается также неясным, как следует строить ЦВОДКМ в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации в различных вычислительно-управляющих комплексах.
Отсутствие четких и обоснованных рекомендаций по этим вопросам приводит к тому, что чаще всего, разработанные датчики КМ не обеспечивают требуемых характеристик измерительного преобразования, что существенно ограничивает круг решаемых ими задач.
Цель работы Разработка и исследование комплексного цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента и создание на его основе семейства датчиков, обеспечивающих улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса.
Основные задачи исследований:
1) сравнительный анализ существующих методов и средств измерения крутящего момента и определение основных путей улучшения их метрологических и эксплуатационно-технических характеристик на базе использования преимуществ волоконно-оптических методов измерений и цифровых методов обработки сигналов;
2) синтез комплексного цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента; определение и анализ основных факторов, оказывающих влияние на метрологические и эксплуатационно-технические характеристики гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков, созданных на его основе;
3) разработка способов снижения степени воздействия негативных факторов на метрологические и эксплуатационно-технические характеристики гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков;
4) разработка и исследование семейства датчиков крутящего момента, основанных на цифровом волоконно-оптическом методе измерений; теоретический анализ метрологических и эксплуатационно-технических характеристик предложенных вариантов датчиков; разработка рекомендаций по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации в различных вычислительно-управляющих комплексах;
5) разработка базового стенда для экспериментального исследования метрологических характеристик и калибровки датчиков семейства; экспериментальное исследование метрологических характеристик цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента с регистрирующим устройством на базе ПЗС-матрицы; разработка рекомендаций по применению датчиков семейства в зависимости от метрологических требований, предъявляемых к ним в различных вычислительно-управляющих комплексах.
Методы исследований. Достоверность и обоснованность решаемых задач обеспечивается правильным выбором методов теоретического анализа и детальным сопоставлением его результатов с результатами экспериментальных исследований. При выборе концепции создания цифрового волоконно-оптического метода использовался системный анализ. При решении поставленных задач использованы математический аппарат теории вероятностей и математической статистики и линейное программирование с использованием современных средств вычислительной техники.
Научная новизна работы заключается в следующем:предложены цифровой волоконно-оптический метод измерения крутящего момента и принципы построения семейства датчиков на его основе, обеспечивающих улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса;
проведен теоретический анализ метрологических и эксплуатационно-технических характеристик гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков и изучены основные факторы, оказывающие влияние на указанные характеристики; получены соотношения для определения метрологических характеристик датчиков;
проведена оценка вариантов улучшения метрологических характеристик цифровых волоконно-оптических датчиков крутящего момента и предложены нониусный и интерполяционный способы для их реализации;
на базе комплексного цифрового волоконно-оптического метода и указанных способов разработаны схемы датчиков семейства; теоретически изучены их метрологические и эксплуатационно-технические характеристики;
разработан базовый стенд для экспериментальной проверки метрологических и эксплуатационно-технических характеристик датчиков семейства; получены экспериментальные данные, хорошо согласующиеся с теоретическими, и подтвердившие улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса;
даны обоснованные рекомендации по выбору варианта датчика из семейства в зависимости от метрологических и эксплуатационно-технических требований, предъявляемых к ним в различных вычислительно-управляющих комплексах.
Практическая ценность работы состоит в следующем:разработано и создано семейство цифровых волоконно-оптических датчиков, обеспечивающих улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса;
создан базовый стенд, позволяющий проводить экспериментальные исследования датчиков семейства и осуществлять их статическую калибровку;
указанные разработки внедрены в Казанском приборостроительном конструкторском бюро (соответствующие документы прилагаются);
результаты исследований использованы при выполнении НИР по федеральной научно-технической программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.», выполняемых на кафедре радиоэлектронных и квантовых устройств КГТУ им. А.Н. Туполева;
результаты исследований внедрены и используются в учебном процессе в КГТУ им. А.Н. Туполева.
Основные положения работы, выносимые на защиту: цифровой волоконно-оптический метод измерения крутящего момента и принципы построения семейства датчиков на его основе, обеспечивающие улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса;
результаты теоретического анализа метрологических и эксплуатационно-технических характеристик гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков и изучения основных факторов, оказывающих влияние на указанные характеристики; полученные соотношения для определения метрологических характеристик датчиков;
результаты оценки вариантов улучшения метрологических характеристик цифровых волоконно-оптических датчиков крутящего момента; нониусный и интерполяционный способы для их реализации;
схемы датчиков крутящего момента, разработанные на базе комплексного цифрового волоконно-оптического метода и указанных нониус-ного и интерполяционного способов;
базовый стенд для экспериментальной проверки метрологических и эксплуатационно-технических характеристик датчиков семейства; результаты экспериментальных исследований метрологических и эксплуатационно-технических характеристик датчиков семейства; выработанные рекомендации по выбору варианта датчика из семейства в зависимости от метрологических и эксплуатационно-технических требований, предъявляемых к ним в различных вычислительно-управляющих комплексах.
Апробация работы. Результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на I и II научно-технических конференциях студентов и аспирантов, г. Казань, 2000, 2001 гг.; на IX Всероссийских Ту-полевских чтениях студентов, г. Казань, 2000 г.; на XII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (ДАТЧИК-2000), г. Гурзуф, 2000 г.; на итоговой конференции Минобразования РФ по результатам выполнения федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.», г. Москва, 2004 г.; на итоговых конференциях КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань, 2000-2003 гг.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 6 печатных работах, получено одно свидетельство на полезную модель.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации: 134 страницы, в том числе 28 рисунков, список литературы из 76 наименований, приложения на 10 страницах.
Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость проведенных разработок и исследований, определяются цель и задачи диссертационной работы.
В первой главе на основе анализа научно-технической литературы, посвященной исследованию методов измерения крутящего момента рассмотрены традиционные пути создания датчиков крутящего момента, их основные характеристики и причины, ограничивающие их возможности. Уделено особое внимание торсиометрическим датчикам, как получившим большое распространение в практике измерения крутящего момента. Рассмотрены факторы, влияю щие на точность датчиков крутящего момента и возможности уменьшения их воздействия на точность измерения. Проанализировано современное состояние работ по методам расширения динамического диапазона и повышения точности измерения крутящего момента. Анализ основных характеристик ДКМ показал, что для дальнейшего расширения их функциональных возможностей и удовлетворения требований современной промышленности необходимо решение проблем, связанных с ограничениями по чувствительности и точности измерения
Дан сравнительный анализ способов снятия информации о крутящем моменте с вращающегося вала, а именно, информации об угле скручивания вала, рассмотрены их основные метрологические и эксплуатационные характеристики. Анализ показал, что несовершенство методов и средств снятия информации о КМ не позволяет в полной мере воспользоваться потенциалом, которым обладают существующие методы преобразования крутящего момента. Показано, что наиболее перспективными являются цифровые методы передачи информации, в частности, цифровые преобразователи угла, которые позволяют нивелировать значительную часть воздействия, оказываемого на метрологические параметры датчика различными помеховыми факторами. Рассмотрен ряд электромеханических устройств, в которых используются оптические кодовые преобразователи параллельного и последовательного типов. Сделан вывод о перспективности применения цифровых преобразователей для измерения кру-. тящего момента на валу.
В следующем параграфе проанализированы особенности датчиков крутящего момента, использующих элементы волоконной оптики. Показано, что применение оптоволоконной техники позволяет создать датчики КМ, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с оптическими датчиками КМ обычного типа. Рассмотрены различные варианты использования оптоволокна в существующих и гипотетических датчиках КМ. Проведенный анализ вариантов выявил преимущества цифровых волоконно-оптических датчиков КМ. Анализ возможных путей улучшения основных характеристик датчиков КМ показал, что дальнейшее их развитие должно опираться на преимущества цифровых методов и средств измерения с учетом достижений волоконной оптики и опыта применения цифровых методов для измерения других физических величин. Критическое рассмотрение современного состояния работ по этой теме не выявило наличия ни каких-либо серьезных теоретических исследований данной проблемы, ни описания практических конструкций датчиков с расчетами их метрологических характеристик.
На основании этого определен круг нерешенных проблем, связанных с разработкой и исследованием принципов построения цифрового волоконно-оптического датчика КМ и сформулированы научно-технические задачи, необходимые для достижения основной цели данной работы.
Во второй главе диссертации на основании выводов, полученных в предыдущей главе, описан комплексный цифровой волоконно-оптический метод измерения КМ. Предложена базовая модель цифрового волоконно-оптического датчика КМ, созданного на его основе.
Для предложенной базовой модели цифрового волоконно-оптического датчика КМ проведен теоретический анализ его метрологических характеристик. Рассмотрена разрешающая способность базовой модели датчика, причем указано, что ее изменение может быть осуществлено следующими способами:
изменение параметров оптического пространственного модулятора (например, изменение ширины строк кодирующей матрицы);
изменение параметров упругого вала (например, замена материала вала, изменение формы сечения вала).
Подробно рассмотрен вопрос анализа погрешностей цифрового волоконно-оптического датчика КМ на основе его базовой модели. В основу при анализе различных составляющих погрешности положена теория погрешности цифровых преобразователей угла. Показано, что основные соотношения и положения, использующиеся для расчета параметров преобразователей угла примени мы к анализу метрологических характеристик базовой модели цифрового волоконно-оптического датчика.
Выделены две основные составляющие погрешности датчика: погрешность оптического преобразования и погрешность воспроизведения. Особое внимание уделено определению различий и совпадений между обычным квантованием непрерывного аналогового сигнала и оптическим преобразованием сигнала. Рассмотрен вопрос средпеквадратическои погрешности оптического преобразования. На основании того, что среднеквадратическая погрешность оптического преобразования зависит от функции этого преобразования, а также учитывая что в нашем случае функция преобразования линейна, (поскольку в пределах изменения угла скручивания упругого вала функция преобразования крутящего момента в угол имеет линейный характер), сделан вывод о постоянстве среднеквадратической погрешности на всем интервале преобразования.
Исследован динамический диапазон измерения цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента. Рассмотрена зависимость динамического диапазона от вида кодирующей матрицы датчика. Показано, что применение кодирующей матрицы в виде логарифмической шкалы позволяет значительно расширить динамический диапазон за счет увеличения абсолютной погрешности. В то же время относительная погрешность будет оставаться в требуемых пределах. В ряде случаев может быть использована кодирующая матрица в виде шкалы, разбитой на поддиапазоны, внутри которых она линейна. Таким образом, реализуется кусочно-линейная преобразовательная характеристика, достоинством которой является то, что ее использование позволяет достичь значений динамического диапазона больших, чем при использовании системы с оптимальной (логарифмической) шкалой. Проведен анализ и расчет информационных параметров базовой модели датчика. Особо отмечено, что состав и сущность рассмотренных в информационных характеристик и параметров сохраняется и при работе в динамике, при учете частоты вращения вала и конечного времени переходных процессов при цифровом кодировании. Рассчитанные параметры базовой модели цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента показали возможность повышения точности измерения крутящего момента в 2-3 раза по сравнению с существующими методами.
Проанализированы возможности увеличения числа строк кодирующей матрицы для расширения динамического диапазона. Увеличение числа строк матрицы без уменьшения шага квантования приведет к увеличению линейных размеров матрицы, что влечет за собой необходимость увеличения угла скручивания упругого вала. Этот угол ограничен требованием сохранения линейности преобразования «крутящий момент - угол скручивания». Разрешить эту задачу можно используя в качестве упругого элемента не упругий вал, а пружины, установленные таким образом, что при движении одного диска относительно другого они будут сжиматься. Так как коэффициент жесткости пружины остается неизменным при значительных деформациях, с помощью пружин могут быть достигнуты гораздо большие углы скручивания.
С другой стороны, возможно увеличение количества строк фоточувствительной матрицы за счет уменьшения шага квантования, то есть за счет уменьшения размера пикселя. Фактически это равнозначно увеличению разрешающей способности прибора. Этот путь также имеет свои ограничения, так как при этом уменьшается систематическая составляющая абсолютной погрешности, в то время как случайная составляющая будет оказывать большее влияние (вибрация, трение в подшипниках и др.)
Далее в главе проанализированы способы уменьшения погрешности и проблема устранения неоднозначности считывания информации. Для решения задачи по устранению неоднозначности считывания цифрового кода применяются различные способы: принудительное считывание, метод V-развертки, метод «двойной щетки», применение циклических кодов (код Грея).
Последний метод является наиболее предпочтительным для использования, так как не требует ни дополнительных чувствительных элементов, ни логических схем, ни управляющих устройств. При этом следует заметить, что сложность и стоимость изготовления кодирующей матрицы с кодом Грея практически не превышает сложности и стоимости создания матрицы с обычным двоичным кодом, так как при укладке волокон в волоконно-оптическом жгуте можно сформировать любой требующийся код на его торце.
Для решения задачи уменьшения погрешности разработаны два метода:
1) нониусный метод;
2) интерполяционный метод.
При использовании нониусного метода добавляется дополнительная линейка фоточувствительных элементов. Достоинством нониусного метода является то, что он позволяет уменьшить погрешность измерения, не изменяя конструкцию оптического пространственного модулятора. Проведенный расчет показал, что данный метод позволяет на порядок повысить точность измерения крутящего момента.
Предложенный интерполяционный метод повышения точности измерения КМ позволяет с высокой точностью определять координаты светового пят-. на. Рассмотрен процесс определения координат светового пятна при использовании ПЗС матрицы в качестве кодирующей маски и факторы, влияющие на точность этого определения. Для этого применен метод оценки параметра по максимуму функции правдоподобия. Потенциальная точность такого метода определения координат светового пятна может доходить до сотых долей элемента ПЗС. Однако конечная эффективность переноса заряда, неточность изготовления элементов ПЗС и другие факторы приводят к систематическим ошибкам, достигающим десятых долей элемента. Таким образом, метод позволяет уменьшить погрешность измерения в среднем в 10-15 раз.
В третьей главе предложены варианты конструкции цифрового волоконно-оптического ДКМ и проведен их сравнительный анализ. Проведенная разработка различных вариантов конструкции цифрового волоконно-оптического датчика имеет целью показать возможность создания семейства датчиков, основанных на исследованной базовой модели. Предложенные варианты проанализированы с целью выявления их особенностей и определения степени влияния конструкции датчика или схемного решения отдельных узлов на метрологические, экономические и эксплуатационные характеристики датчика.
Предложено несколько вариантов датчика:
1) вариант датчика со специальной укладкой волокон жгута;
2) вариант датчика с накладной кодовой маской;
3) вариант датчика с направляющими призмами;
4) вариант датчика с использованием фоточувствительной матрицы. Первый вариант датчика характеризуется тем, что в нем роль пространственного модулятора играет торец волоконно-оптического жгута, оптоволокна в котором расположены таким образом, что образуют матрицу, каждая строка которой - представляет собой двоичный код. Преимуществом данного метода является эффективное использование оптоволокон в жгуте. С технологической точки зрения, создание торца ВОЖ в виде кодирующей матрицы связано с определенными трудностями (наличие соответствующей производственной базы), поэтому этот вариант датчика более подходит для крупносерийного производства датчиков, и для широкой его эксплуатации в областях, не требующих высокой точности измерения крутящего момента.
Второй вариант датчика использует специальную кодовую маску, накладывающуюся на выходной торец жгута. Кодовая маска может быть изготовлена методом фототравления, что дает возможность значительно повысить точность ее изготовления. Кроме того, этот вариант позволяет накладывать различные маски на торец волоконно-оптического жгута и таким образом варьировать параметры датчика в широких пределах с меньшими затратами. Еще одним преимуществом данного варианта конструкции датчика является то, что поскольку ВОЖ используется в нем в качестве линии передачи, то требования, накладываемые на него, значительно смягчаются. Существующие технологии позволяют создавать кодовые маски с шириной в доли микрометров, что позволяет использовать датчик для высокоточных измерений. В ряде областей применения ДКМ встает вопрос обеспечения не только высокой точности измерения крутящего момента, но и высокой надежности датчиков. В первую очередь к ним относятся области, связанные с риском для жизни, такие как, например, измерение крутящего момента на ведущих валах летательных аппаратов. В этом случае требуется предохранить от влияния повреждающих факторов наиболее подверженный их влиянию элемент датчика -волоконно-оптический жгут. Этим требованиям отвечает третий вариант цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента, конструкцией которого предусматривается размещение, жгута на неподвижном основании. Световой поток от источника излучения направляется на входной торец жгута а затем на фоточувствительную матрицу с помощью специальных призм, установленных на валу. Это позволяет значительно уменьшить вероятность повреждения волоконно-оптического жгута и тем самым повысить надежность датчика.
Преимуществами данного метода являются значительное снижение возможности повреждения или обрыва волоконно-оптического жгута и повышенная надежность работы датчика. В данной конструкции ЦВОДКМ волоконно-оптический жгут может быть использован и как кодирующее устройство и как обычная линия передачи, поэтому для него справедливы все замечания и формулы, приведенные при рассмотрении предыдущих вариантов конструкции ЦВОДКМ.
Четвертый вариант представляет собой пример использования ПЗС — матрицы для фиксирования и определения координат световых меток. Более подробно он рассмотрен в следующей главе. На основании сравнительного анализа вариантов предложена методика выбора оптимального варианта конструкции ЦВОДКМ для различных областей применения, условий эксплуатации и требований к метрологическим характеристикам, надежности и экономическим параметрам.
В четвертой главе рассмотрен вариант ЦВОДКМ с использованием ПЗС-матрицы в качестве фоточувствительного элемента. В этом варианте на выходе датчика мы имеем тот же результат что и в предыдущих вариантах датчика, од нако без использования специализированных волоконно-оптических жгутов или специально изготовленных с высокой точностью кодирующих матриц. Также снимается вопрос неточности установки кольцевых наконечников, вибраций и других помех во время работы датчика, так как измеряется относительное расстояние между двумя точками, расположенными на валу. Этот вариант датчика по своим точностных параметрам практически не отличается от рассмотренных в предыдущей главе. Он является наиболее подходящим для создания экспериментального стенда. Его преимущество заключается в том, что в отличии от других вариантов, он не требует создания высокоточного узла в лабораторных условиях, так как производство ПЗС-матриц в настоящий момент широко развернуто. Они используются и в современных цифровых фотоаппаратах и в видеокамерах, то есть в приборах, оснащенных оптической системой, что значительно облегчает согласование фоточувствительной матрицы с другими элементами стенда. Кроме того, подобные цифровые устройства могут быть подключены к персональному компьютеру, для них разработан специальный интерфейс для обработки изображения, считывания необходимой информации, проведения расчетов и обработки полученных данных.
Следующие параграфы посвящены исследованию экспериментального стенда, определению его метрологических характеристик и оценке применимости данного подхода при создании ЦВОДКМ. Приведена схема и внешний вид экспериментального стенда, его основные параметры, описаны его конструкция и особенности исполнения отдельных узлов. Проведен анализ влияния конструктивных параметров стенда на точность измерения крутящего момента. Показано, что погрешность, возникающая вследствие нелинейности движения световых меток по плоскости ПЗС-матрицы пренебрежимо мала по сравнению с основными составляющими погрешности. Анализ полученных данных показал, что экспериментальные результаты согласуются с проведенными теоретическими расчетами. В приложении приведены результаты экспериментов, основные технические характеристики аппаратуры, использованной при проведении экспериментального исследования.
Способы и средства снятия информации о КМ с вращающегося вала. Их основные характеристики и ограничения
Основное различие СИКМ, базирующихся на торсиометрическом методе измерения заключается в способе передачи информации о КМ с вращающегося вала, а именно, информации об угле скручивания вала. Наиболее часто используемые в торсиометрических СИКМ способы передачи информации с вала и их основные характеристики приведены в табл. 1.2 [7,30, 34-43].
Все способы можно разделить на два больших класса: аналоговые и цифровые. К аналоговым относятся способы, использующие аналоговое преобразование угла скручивания в электромагнитные колебания различных диапазонов длин волн. К цифровым способам относятся способы, основанные на построении кодовых преобразователей угла (КПУ). КПУ представляют собой пространственные АЦП, преобразующие измеряемое перемещение в цифровой код. Код может быть как параллельным, так и последовательным. Наиболее часто встречаются КПУ с растровыми дисками, позволяющими получить последовательный код, количество импульсов в котором соответствует величине. перемещения растрового диска.
Поскольку практически все средства передачи информации о КМ, представленные в табл.1.2., являются бесконтактными, диапазон рабочих частот вращения вала характерный для них не имеет существенного различия.
Исключение составляют контактные КПУ, максимальная частота вращения, которых ограничена вследствие того, что считывающая «щетка» контактирует с металлизированной поверхностью растрового диска.
Наименьшей погрешностью измерения обладают аналоговые фотоэлектрические средства и цифровые КПУ, что обусловлено методологией их построения. Близкой к ним погрешностью обладают магнитоиндукционные и емкостные средства, однако они, как и все другие средства, использующие электрические сигналы обладают низкой ЭМС. По этому параметру значительное преимущество также имеют методы, использующие оптические сигналы для измерения и передачи информации о крутящем моменте.
Сложность применения оптических методов заключается в необходимости постоянного поддержания чистоты оптических элементов из-за высокой чувствительности аппаратной части, реализующих их СИКМ, к загрязнению [2,7]. Однако, другие средства передачи информации о КМ еще более сложны в эксплуатации. Например, магнитоупругие методы требуют закрепления на поверхности вала чувствительных элементов с помощью специальных клеев, в связи с чем их замена излишне сложна. Чувствительность магнитоупругих датчиков сильно зависит от величины воздушных зазоров между валом и катушкой. Кроме того, на результат влияет и внутренняя неоднородность вала, вызванная местными внутренними напряжениями, различной кристаллографической ориентацией и др.
Нелинейность ряда средств передачи информации о КМ с вращающегося вала резко выражена и определяется нелинейностью характеристик чувствительных элементов. В отличии от всех остальных КПУ позволяют избавиться от нелинейности, которая в этом случае зависит лишь от параметров упругого вала. Большим плюсом КПУ является то, что его выходной сигнал представлен непосредственно в цифровом виде, не требующем последующего преобразования. Кроме того, использование в растровом диске различных специализированных кодов (код Грея и др.) позволяет значительно уменьшить вероятность ошибки и вовремя зафиксировать ее. К недостаткам КПУ следует отне сти то, что они имеют большой диаметр растрового диска, поэтому их установка и эксплуатация на многих агрегатах труднореализуема.
Важной характеристикой СИКМ и методов передачи информации об угле скручивания вала является возможность осуществления их статической калибровки. Ряд СИКМ (индуктивные, трансформаторные и др.) работают только при условии вращения упругого вала, и поэтому их статическая калибровка невозможна. В то время, как другие средства (фото- и магнитоупругие, цифровые контактные и оптические КПУ) позволяют осуществить калибровку непосредственно на неподвижном валу, что значительно облегчает процесс измерения.
Таким образом, поиск путей улучшения эксплуатационных и метрологических характеристик СИКМ может базироваться: - на использовании преимуществ цифровых методов, которые обеспечивают высокую точность измерений, их линейность, высокую помехоустойчивость и ЭМС, статическую калибровку; - на использовании преимуществ оптических КПУ при условии улучшения их эксплуатационных характеристик.
Определение принципов построения оптических КПУ с точки зрения улучшения их эксплуатационных характеристик требует дополнительного анализа, результаты которого представлены в следующем разделе.
Вал, как объект измерения и как элемент базовой модели цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента
Рассмотрим процесс работы базовой модели ЦВОДКМ. Источник светового излучения испускает световой поток, который проходит через волоконно-оптический жгут. Этот жгут может находиться или на упругом валу, на котором измеряется крутящий момент, или на неподвижном основании. Применение волоконно-оптического жгута позволяет формировать световой поток в любом необходимом направлении, чем достигается высокий уровень согласования излучающего и фоточувствительного узлов датчика. После прохождения по жгуту, излучение подвергается кодированию с помощью кодирующей матрицы. Кодированный световой поток попадает на фоточувствительную матрицу. Матрица может быть как однокоординатной, так и двухкоординатной. Форма фоточувствительной матрицы зависит от вида кодирующей матрицы. В частности, если она исполнена в виде кодовой маски, то в качестве фоточувствительной матрицы может быть использована линейка фотоприемников.
Проведем предварительный анализ характеристик базовой модели с точки зрения определения влияния погрешностей указанных преобразований на общую погрешность датчика.
Погрешность преобразования крутящего момента в угол скручивания в основном определяется характеристиками упругого вала. К ним относятся модуль сдвига и полярный момент вала. Модуль сдвига характеризует упругие свойства вала и не зависит от его размеров и формы. Полярный момент вала наоборот является величиной, величина которого зависит как от размеров, так и от формы поперечного сечения вала. Для рассматриваемого нами случая, к параметрам, связанным с валом относится величина базы измерения, то есть расстояние между двумя сечениями вала, между которыми измеряется угол его скручивания. Кроме того, следует учесть, что для измерения крутящего момента может использоваться как непосредственно рабочий вал, так и специальные переходные валы, включаемые в цепь передачи мощности от двигателя к исполнительному механизму. В случае использования переходного вала возможно появление дополнительных источников погрешности (узлы соединения переходного вала с рабочими валами механизмов. Таким образом, в узле преобразования крутящего момента в код существуют источники погрешности, влияние которых на общую погрешность датчика следует изучить более подробно.
Относительно погрешности преобразования угла скручивания упругого вала в перемещение световой метки можно сказать, что на нее влияют следующие факторы: жесткость крепления волоконно-оптического жгута, биения вала, а также искажения, вызванные перемещением световой метки по дуге. В случае недостаточной жесткости крепления жгута на упругом валу возникает "сухое трение", искажающее преобразовательную характеристику датчика. Для того, чтобы избежать этого искажения, необходимо жестко фиксировать жгут на валу. Биения вала приводят к произвольному перемещению кодирующей матрицы относительно регистрационного устройства. Однако, как правило, системы, в которых требуется измерять крутящий момент с высокой точностью, обладают приемлемыми допусками на биение вала, которые регламентируются соответствующими стандартами [71]. Следует отметить, что возможны варианты датчика, в которых жгут располагается не на упругом валу, а на неподвижном основании. В этом случае удается избежать негативного воздействия вибраций и биения на жгут, выражающегося в нарушении целостности волокон, повреждении или разрушении кодирующей матрицы. Погрешности, вызванные криволинейным движением выходного торца жгута, выражаются в следующих эффектах: нелинейность перемещения световой метки по поверхности фоточувствительной матрицы, изменения размеров и формы световой метки. Учитывая, что измерения крутящего момента происходит при небольших углах скручивания упругого вала, можно предположить, что указанные эффекты не будут оказывать значительного влияния на общую погрешность ЦВОДКМ. Соответствующие расчеты будут далее приведены.
В функциональный узел, преобразующий перемещение в код входят источник излучения и фоточувствительная матрица. Кроме того, в него входит кодирующая матрица или волоконно-оптический жгут. В этом случае жгут выступает не как линия передачи излучения, а как оптический кодировщик. В качестве источника излучения предпочтительно использовать лазер, так его луч обладает небольшой расходимостью. Частота излучения может лежать как в видимом диапазоне, так и вне его. В любом случае, она должна быть согласована с диапазоном приемной матрицы. Мощность излучателя должна быть такова, чтобы однозначно определять наличие светового пятна при его попадании на поверхность фоточувствительной матрицы. Как уже говорилось, приемная матрица может быть одномерной и двухмерной. Это зависит от конструкции ЦВОДКМ. Диаметр ячейки приемной матрицы должен быть согласован с диаметром волокон жгута. Оптимальным вариантом является случай, когда эти величины примерно равны, при этом достигается максимум разрешающей способности датчика. На кодирующую матрицу накладываются аналогичные условия
Цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента с накладным кодовым преобразователем угла (кодирующей маской) и использованием волоконно-оптического жгута, расположенного навалу, в качестве линии передачи
Напротив выходной призмы 6 выходного кольцевого наконечника 5 расположена линейка 10 из п фотоприемников, также ориентированная параллельно оси вращения упругого вала. Входные концы волокон, образующих жгут, расположены таким образом, что их входные торцы образуют единую прямую линию, радиально направленную по отношению к оси вращения упругого вала 1. Выходные торцы волокон, образующих жгут, расположены таким образом, что их излучение освещает какую-либо одну строку кодирующей матрицы 12. Каждая строка кодирующей матрицы представляет собой двоичный код, причем строки матрицы ориентированы параллельно оси вращения упругого вала 1.
Поясним работу данного варианта датчика. Пусть к вращающемуся упругому валу / приложен некоторый крутящий момент, который необходимо измерить. При вращении вала 1 в момент прохождения входной призмы 3 кольцевого наконечника 2 мимо источника света 4, световой поток проходя через пропускную маску 11 поступает одновременно на все входные торцы волокон, образующих жгут 7. Пройдя по волоконно-оптическому жгуту 7, световой поток поступает на выходные торцы, и попадает на выходную призму 6, освещая какую либо строку кодирующей матрицы 72, расположенной на поверхности призмы, закрепленной на выходном кольцевом наконечнике 5. Так как световой поток, проходя через призму, 6 рассеивается, происходит паразитная засветка соседних строк кодирующей маски 12, что может привести к ошибке считывания информации линейкой фотоприемников 10. Благодаря щели 9 светозащитного кожуха 8, на линейку из п фотоприёмников 10 попадает свет лишь с одной строки кодирующей матрицы. При воздействии на упругий вал 1 крутящего момента, вал закручивается на угол, пропорциональный приложенному крутящему моменту и кольцевые наконечники 2 и 5 поворачиваются относительно друг друга вокруг оси вращения вала 7. В результате этого в момент прохождения входной призмы 3 мимо источника света 4, на линейку фотоприёмников 10 попадает световой поток с другой строки кодирую щей маски 12. Сигнал на выходе линейки фотоприёмников представляет собой параллельный код, который однозначно определяет угол закручивания вала 1. Определение крутящего момента проводится по ранее приведенной формуле (3.3).
Преимуществом данного метода является расположение волоконно-оптического жгута на неподвижном основании, что резко снижает возможность его повреждения или обрыва и повышает надежность работы датчика. В данной конструкции ЦВОДКМ волоконно-оптический жгут может быть использован и как кодирующее устройство и как обычная линия передачи, поэтому для него справедливы все замечания и формулы, приведенные при рассмотрении предыдущих вариантов конструкции ЦВОДКМ. Следует добавить, что для обеспечения требуемых метрологических характеристик необходимо обеспечить высокую точность при создании и установке призм, а также при юстировке датчика в процессе эксплуатации.
Во всех предыдущих вариантах конструкции ЦВОДКМ для регистрации кода, соответствующего углу скручивания, использовалась линейка фотодиодов, расположенная на оси, параллельной оси строк кодового преобразователя угла и на расстоянии, соизмеримом с диаметром волокна. При использовании кодовой маски, диаметр отверстия которой значительно меньше диаметра волокна, возникает ограничение практической реализации датчика, объясняемое ограниченными размерами апертуры фотодиодного приемника. Уменьшение апертуры фотодиода до размеров, сравнимых с диаметром отверстий кодовой маски, представляет собой значительную технологическую проблему.
Решение данной проблемы может быть найдено при использовании одномерных и двухмерных ПЗС-матриц, размер пикселей которых в настоящее время достигает 1-5 мкм.
ЦВОДКМ с использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на валу и кодового преобразователя угла, выполненного в виде фоточувствительной ПЗС-матрицы представляет собой пример использования кодового преобразователя угла, использующего принцип регистрации и определения координат световых меток. Преимущества и недостатки данного датчика с метрологической точки зрения рассматривались в гл.2, где он был использован в качестве прототипа базовой модели, разработанной для оценки характеристик цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента в целом.
Существенным преимуществом данного датчика с технологической и эксплуатационной точек зрения является то, что для его реализации не требуется специализированных волоконно-оптических жгутов или специально изготовленных с высокой точностью кодирующих матриц. Таким образом, снимается вопрос о применимости датчика в неблагоприятных условиях и соответственно, об установке датчика на валу или на неподвижном основании.
Дополнительно уменьшается влияние конструктивных параметров датчика на его метрологические характеристики: неточность установки кольцевых наконечников, воздействие вибрации и других помех во время работы (измеряется относительное расстояние между двумя точками, расположенными на валу, на которые не влияют ни сдвиг фоточувствительной матрицы, ни биение вала, ни другие помехи).
Основной проблемой, решенной при разработке данного варианта датчика, с точки зрения оптимизации процесса получения и обработки информации, явилась проблема регистрации и определения координат двух разнесенных све-- товых меток, одна из которых соответствует опорному излучению, а другая -измеряемому углу скручивания.
Методика проведения экспериментальных исследований на экспериментальном базовом стенде
Проанализируем различные конструкции датчика с точки зрения возможности их применения для создания базового стенда. С помощью него будут проведены опыты, результаты которых позволят нам вынести ре шение о правильности проведенных расчетов и определить реальные параметры ЦВОДКМ.
Как уже было показано, точность измерения датчика зависит в основном от точности изготовления кодирующей матрицы.
Следовательно, конструкция ЦВОДКМ, наиболее подходящая для создания на ее основе базового стенда, может быть выбрана нами исходя из условий технологичности и экономичности ее создания в лабораторных условиях.
Первый вариант датчика мало подходит для создания базового стенда в лабораторных условиях. Его основным элементом является волоконно-оптический жгут со специальной укладкой волокон, что практически невозможно сделать в лаборатории. Жгут сложен в изготовлении и имеет высокую стоимость. Второй вариант датчика в этом смысле представляется более предпочтительным, так как маску с нанесенным на ее поверхность рисунком в виде кодовой матрицы сделать значительно легче и дешевле. Одним из вариантов создания кодирующей маски может являться предложенный Специальным конструкторско-технологическим бюро специальной электроники и аналитического приборостроения технологический процесс изготовления диафрагм и кодирующих масок с использованием метода обратной фотолитографии, основанного на применении высокоразрешающего негативного фоторезиста ФСН-4ПВ, изображение на котором формируется с помощью органического проявителя [1]. Диафрагмы и кодирующие маски на подложках фтористого кальция характеризуются прецизионным воспроизведением размеров, хорошим качеством конфигурации элементов топологии и высоким пропусканием видимой и инфракрасной области спектра. Однако, для создания кодирующих масок требуется и специальное оборудование и специальные реактивы. Поэтому от выбора этого варианта датчика в качестве базового стенда также приходится отказаться. По этой же причине нам не подходит и третий вариант ЦВОДКМ. Кроме того, для его создания требуется изготовить специальные призмы и с высокой точностью разместить их на упругом валу. Как видно из табл.3.1 и рис. 3.10, наиболее подходящим для создания базового стенда является четвертый вариант конструкции ЦВОДКМ. Его преимущество заключается в том, что в отличии от других вариантов, он не требует создания высокоточного узла в лабораторных условиях, так как производство ПЗС-матриц в настоящий момент широко развернуто. Они используются и в современных цифровых фотоаппаратах и в видеокамерах, то есть в приборах, оснащенных оптической системой, что значительно облегчает согласование фоточувствительной матрицы с другими элементами установки. Кроме того, подобные цифровые устройства могут быть подключены к персональному компьютеру, для них разработан специальный интерфейс, которым мы можем воспользоваться для обработки изображения, считывания необходимой информации, проведения расчетов и обработки полученных данных. Большой ассортимент выпускающихся промышленностью фоточувствительных матриц позволяет нам при необходимости создать свое специализированное фотоприемное устройство с требующимися нам параметрами. Поскольку, как было показано, метрологические характеристики всех вариантов конструкции ЦВОДКМ в общем случае описываются одними и теми же соотношениями, можно утверждать, что результаты измерений проведенных на базовом стенде, выполненной по выбранному варианту конструкции ЦВОДКМ, будут распространяться на все семейство цифровых волоконно-оптических датчиков крутящего момента, в том числе и на другие предложенные варианты конструкции.
Итак, на основании проведенного анализа, данных таблицы 3.1 и рис. 3.10 для создания базового стенда мы остановимся на варианте ЦВОДКМ с использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на валу и кодовым преобразователем угла, выполненном в виде фоточувствительной ПЗС-матрицы. Поскольку при проведении измерений в лабораторных условиях существует возможность избежать воздействия вибрации и других механических воздействий на датчик, вариант датчика с использованием одной ПЗС-матрицы является более предпочтительным.
В данной главе были получены следующие результаты:
1) разработан ЦВОДКМ с использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на валу, в качестве кодового преобразователя угла, который позволяет с высокой эффективностью использовать волокна оп тического жгута для создания кодирующей матрицы и может применяться для измерения крутящего момента на валах мощных транспортных средств, электрических машин и т.д;
2) разработан ЦВОДКМ с накладным кодовым преобразователем угла (кодирующей маской) и использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на валу, в качестве линии передачи, который позволяет гибко изменять структуру кода и требует замены только кодовой маски при ее необратимом загрязнении или разрушении и может применяться в вычислительно-управляющих комплексах с прецизионными требованиями (валы сель-синных датчиков, валы с возможностью реверса и т.д.);
3) разработан ЦВОДКМ с использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на неподвижном основании, который позволяет избежать неблагоприятного механического воздействия на жгут;
4) разработан ЦВОДКМ с использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на валу и кодовым преобразователем угла, выполненном в виде фоточувствительной ПЗС-матрицы, который не требует соз дания специализированных волоконно-оптических жгутов или специально изготовленных с высокой точностью кодовых масок и может быть применен как для обычных, так и для прецизионных измерений;