Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ известных методов коррекции погрешностей измерений и оценка эффективности их применения для ДМВ 21
1.1. Математические модели погрешностей датчиков, функционирующих в условиях дестабилизирующих факторов 21
1.2. Оценка эффективности существующих методов автокоррекции погрешностей измерений 27
1.3. Преимущества и ограничения тестовых методов повышения точности измерений 43
1 4. Оценка эффективности функционирования известных ДМВ, инвариантных к ДФ 50
Основные результаты и выводы по первой главе 65
Глава 2. Теоретические основы построения ДМВ? инвариантных к ДФ, на основе тестовых измерений и ДРСТФ? используемых в качестве обобщенных математических моделей ФП датчиков 68
2.1. Исследование обобщенного тестового алгоритма на основе математической модели, использующей целые рациональные функции 69
2.2. Обобщенный алгоритм реализации тестовых методов на основе описания ФП ДМВ дробно-рациональными функциями 74
2.3. Применение степенных функций в качестве математических моделей при разработке алгоритмов реализации тестовых методов 82
2.4. Алгоритмы реализации тестовых методов на основе описания ФП ДМВ трансцендентными функциями 87
2.5. Теоретические основы построения ДМВ, инвариантных к ДФ, на основе тестовых измерений и функциональных тестов 101
Основные результаты и выводы по второй глазе 106
Глава 3, Аппроксимативный анализ ФП ДМВ как основа для проектирования датчиков, инвариантных к ДФ 108
3.1. Вопросы идентификации и аппроксимативный анализ ФП ДМВ 108
3.2 Измерительно-вычислительный комплекс для аппроксимативного анализа ФП ДМВ 119
3.3- Метод измерений, обеспечивающий работу ДМВ на линейном участке ФП 131
3.4. Способ бесконтактной установки ЧЭ датчиков на заданном расстоянии от поверхности исследуемого объекта 134
Основные результаты и выводы по третьей главе 138
Глава 4. Принципы построения инвариантных датчиков механических величин 140
4.1. Инвариантный к дестабилизирующим факторам многоканальный волоконно-оптический датчик перемещений на основе аддитивных тестов 140
4.2. Инвариантные волоконно-оптические датчики вибраций и положения, реализующие методы бесконтактной установки и контроля рабочего расстояния до объекта 144
4.3. Инвариантный к дестабилизирующим факторам электромагнитный датчик перемещений с дробно-рациональной функцией преобразования 156
4.4. Волоконно-оптический кодовый преобразователь угла, инвариантный к ДФ, на основе математической модели, использующей трансцендентные функции 160
4.5. Способ измерений на основе функциональных тестов и реализующий его волоконно-оптический датчик. 162
4.6. Датчики с совмещенными основным и корректирующим каналами измерения различной физической природы 169
Основные результаты и выводы по четвертой главе 180
Глава 5. Оценка погрешностей разработанных ДМВ и их конструктивно-технологические особенности 183
5.1 Анализ погрешностей аппроксимации ФП ДМВ кусочно-линейной и кусочно-нелинейными математическими моделями на основе использования ДРСТФ 183
5.2. Оценка некоррелированных составляющих погрешностей ДМВТ инвариантных к ДФ, разработанных на основе тестовых измерений и ДРСТФ 191
5.3. Погрешности формирования тестов и оценка их влияния на результат измерений 196
5.4. Конструктивно-технологические особенности разработанных ДМВ 198
5.5. Пути повышения эффективности разработанных способов 215
Основные результаты и выводы по пятой главе 217
Глава 6. Примеры практического использования разработан її ых ДМВ, инвариантных к ДФ 221
6.1, Техническая реализация и применение автономных двухканальных волоконно-оптических измерителей вибрации 221
62. Практическое использование ВОИВ в автоматизированных системах 226
6.3. Двухканальный датчик положения с модулированным излучением 234
6.4. ДМВ на основе тестовых измерений с микропроцессорной обработкой информации 239
6.5. Термокомпенсированный датчик давления и его практическое использование 245
Основные результаты и выводы по шестой главе 249
Заключение 252
Список литературы 256
Приложение 272
- Оценка эффективности существующих методов автокоррекции погрешностей измерений
- Обобщенный алгоритм реализации тестовых методов на основе описания ФП ДМВ дробно-рациональными функциями
- Измерительно-вычислительный комплекс для аппроксимативного анализа ФП ДМВ
- Инвариантные волоконно-оптические датчики вибраций и положения, реализующие методы бесконтактной установки и контроля рабочего расстояния до объекта
Введение к работе
Автоматизация процессов управления и контроля в различных областях науки, техники и производства требует широкого применения датчиков механических величин (ДМВ) различной физической природы. Контроль параметров, характеризующих производственные процессы, сводится к измерению ряда физических величии: температуры, механических величин (перемещении, давления, положения и т.д.) и т.п. В реальных условиях эксплуатации автоматизированные системы управления (АСУ) и входящие в их состав датчики испытывают воздействие дестабилизирующих факторов (ДФ). Например, установленные в авиационных системах датчики работают при изменении температуры от -50 до | 50С, напряжения питания — на ±20%, давления — от 1 до 0,01 атм, испытывают вибрации с амплитудой (0,25 -г 2) мм в диапазоне частот от 20 до 200 Гц и перегрузки до 20 g. Датчики, входящие в состав ракетно-космических комплексов, совершенствование которых относится к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в РФ, подвержены вибрациям в диапазоне (30 -г 8000) Гц с амплитудой (0; 5 -f- 40) мм, жесткому радиационному облучению и действию космических частиц. В земных условиях на датчики оказывают влияние механические, климатические, радиационные, электромагнитные и термические факторы, варьирующиеся в широком диапазоне. Климатические воздействия на узлы и элементы преобразователей сказываются тем сильнее, чем выше скорость и диапазон изменения температуры. Процессы старения в датчиках происходят непрерывно как во время работы, так и во время хранения и транспортировки изделий. Действие всех вышеперечисленных внешних и внутренних ДФ приводит к существенному изменению поминальных выходных характеристик преобразователей и к возникновению погрешностей измерений.
Проблема повышения стабильности ДМВ остается актуальной и па сегодняшний день, потому что существующие датчики, работающие в реальных условиях эксплуатации, не в состоянии в должной мере удовлетворять все возрастающим нуждам и требованиям потребителей по своим тихни-
ческим возможностям. Схемы включения датчиков, работающих как в составе АСУ, так и в виде автономных приборов, предполагают паличне усилителей, повторителей, аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и т.д., которые также являются источником нестабильности, что отражается на результате измерений приборов в целом. Задачу стабилизации характеристик преобразователей в отдельно взятой точке при определенных внешних доздействиих можно считать решенной. Однако при неизвестных воздействиях, при их изменении со временем, а также при наличии деградаци-оппых процессов в самих датчиках наблюдается существенное отклонение реальных характеристик датчиков от номинальных. Наиболее актуальным является решение таких противоречивых проблем, как повышение точности и стабильности ДМ В одновременно с расширением диапазона преобразуемых ими параметров. При этом наибольшие трудности выбывает решение этих проблем в совокупности, но именно этого требует практика использования ДМВ. В связи с этим необходимо искать новые подходы к построению высокостабильных датчиков, к совершенствованию их структур и принципов функционирования. Повышение точности и стабильности ДМВ в настоящее время во многом достигается благодаря развитию структурно-алгоритмических методов коррекции погрешностей, базирующихся на теории инвариантности систем управления и теории чувствительности. Использование в составе АСУ инвариантных датчиков существенно уменьшает погрешности, возникающие при их работе в жестких условиях эксплуатации. Применение встроенных микропроцессорных вычислительных средств и персональных компьютеров (ПК) в составе АСУ позволяет использовать достаточно сложные и эффективные алгоритмы обработки сигналов и существенно увеличить точность датчиков.
В теорию и практику повышения точности и стабильности датчиков на основе структурно-алгоритмических методов большой вклад внесли ТЛ1 Алиев, Э.М. Бромберг, Э.И- Гитис, В.М. Гречишников, В.Г. Домрачсв, М.А. Земель.ман, Н.Е. Конюхов, K.JL Куликовский, Г.И. Леонович, Л.М. Логвинов, В.Н, Нестеров, П.В. Новицкий, П.П. Орнатский, СП. Персии, Б.Н. Петров, В.В. Сазонов, ЮЛ. Скрипник, Ю.И. Стсблев, ЮЖ Tyj, В.К.
Шакурский, К.Б. Клаассеп, Т. Роман, Н. Hart, Н. Jiittemann, Н. Kollner, L Lira; W. Lotze> A. Morris, L Morse, J. Piotrowski, E. Schrufer, F. Tse, P. Taubcrt и ряд других авторов. Анализ представленных в их трудах методов коррекции погрешностей показал, что практической областью использования методов образцовых мер, итерационных и тестовых является измерение электрических величин, преимущественно тех, для которых создание точных обратных преобразователей, а также аддитивных и мультипликативных тестов контролируемых параметров не вызывает трудностей. Методы инвариантных преобразований, использующие мостовые схемы включения датчиков, позволяют скорректировать только погрешности чувствительных элементов (ЧЭ) и мостовой схемы. При использовании преобразователей для контроля механических величин появляется ряд специфических задач, связанных с обеспечением точности измерений, причем эти задачи являются общими для всего класса ДМВ, В работе рассматривается общий подход к совершенствованию ДМВ па основе тестовых измерений, решаются проблемы, характерные для всей совокупности ДМВ
Методы инвариантных преобразований, использующие мостовые схемы включения датчиков /ПО, 11, 112, 114, 158/, при их реализации требуют введения аппаратной избыточности: усилителей, иеремпожитслей, делителей и т.д., что приводит к уменьшению только погрешности собственно чувствительных элементов и мостовой схемы, при этом требования к точности исполнения элементов устройств аппаратной избыточности и основного канала измерения одинаковы. Кроме того, в рассмотренных преобразователях не устраняются погрешности всего измерительного тракта: смещение нуля и коэффициенты преобразования АЦП, усилителей и других составляющих схем подключения датчиков, А такие виды погрешностей, как изменение функции преобразования (ФП) во времени или под действием ДФ рассматриваемые методы иообще учесть не могут.
С точки зрения коррекции погрешностей всего измерительного тракта наиболее перспективными являются тестовые методы. Они по требуют отключения контролируемого параметра от входа датчика и наличия обратного преобразователя. Суть тестовых методов заключается в оптимизации
работы измерительных устройств в изменяющихся условиях окружающей среды, при действии на датчики ДФ и при наличии в них доградационных процессов путем придания им способности приспособления к изменениям этих факторов на основе использования текущей информации о внешних условиях. Однако, как отмечается в /1/, тестовые методы пока чю находят незаслуженно узкое применение. Разберемся в причинах данной ситуации. При существующем подходе, когда функция преобразования датчика описывается полиномом п -ой степени, либо используется кусочно-линейная аппроксимация, для реализации тестового алгоритма необходимо формирование в устройствах тестов двух типов: аддитивных и мультипликативных. При контроле электрических величин данная ситуация не является критической, поскольку умножение такой измеряемой величины, как, например, напряжение на постоянный коэффициент, получение суммы измеряемого напряжения с опорным не представляет технической сложности. Необходимо вспомнить, что тестовые методы нашли свое применение именно в области измерения электрических величин. Рассмотрим данную ситуацию применительно к измерениям механических величин. Получение точного и стабильного значения аддитивного теста в ДМВ обычно не вызывает осо-бых затруднений, а создание мультипликативного теста не всегда осуществимо. Неосуществимым (во всяком случае достаточно простым путем) является умножение на постоянный коэффициент для многих измеряемых механических величин, таких как перемещение и его производные, давление, и т.д. Это обстоятельство, как отмечается в /5/, в значительной степени снижает универсальность данного метода коррекции.
Согласно условиям формирования честового алгоритма все тесты и измеряемая величина должны одновременно находиться в пределах одного интервала аппроксимации. Только в этом случае могут быть определены реальные значения коэффициентов линейной зависимости. При нелинейной функции преобразования датчика величины линейных участков аппроксимации могут иметь весьма малые значения. Величины разностей дополнительных тестовых измерений также оказываются весьма малыми. Поэтому тестовые алгоритмы, основанные на кусочно-линейном представлении вы-
ходіюй характеристики датчика, реализующиеся путем нахождения отношения разностей близких между собой чисел, характеризуются значительным (в десятки раз) увеличением случайной составляющей погрешности по сравнению с однотактпым преобразованием.
В ДМВ с использованием упругого ЧЭ, преобразующего силу, момент, давление и т.д. в регистрируемое перемещение, внешние ДФ действуют в том числе и на ЧЭ, изменяя его физические характеристики. В таких случаях точное измерение перемещения ЧЭ на основе тестовых измерений не позволяет устранить влияние ДФ на результат измерения. Для повышения точности и стабильности таких датчиков требовалось разработать комбинированные методы, включающие алгоритмы реализации тестовых методов и преобразования, связанные с обработкой вспомогательных измерений ДФ,
В преобразователях, использующих тестовые измерения, существенный вклад в общую погрешность дает методическая составляющая, возникающая н результате отличия функции преобразования (ФП) датчика от используемой математической модели, положенной в основу тестового алгоритма.
Перечисленные недостатки без их устранения ограничивают возможности тестовых методов. Поэтому развитие теоретических основ тестовых измерений в области контроля механических величин и создание ДМВ, инвариантных к ДФ, на их основе представляет собой важную научную проблему. Разработка датчиков, обладающих высокой точностью и стабильностью в жестких условиях эксплуатации, в широком диапазоне изменения измеряемых величин и в течение длительных промежутков времени^ является актуальной как для автономных приборов различного принципа действия и назначения, так и для информационно-измерительных и управляющих систем в целом.
Целью диссертационной работы является развитие теории тестовых измерений и создание па ее основе ДМВ, инвариантных к воздействию ДФ, обладающих повышенной точностью, стабильностью и увеличенным диапазоном измеряемых величин.
Дли достижения поставленной цели в диссертационной работе решались
следующие задачи;
Анализ математических моделей погрешностей, обусловленных влиянием ДФ на датчики, и существующих методов их коррекции.
Разработка тестовых алгоритмов повышения точности и стабильности ДМВ па основе дробно-рациональных, степенных и трансцендентных функций (ДРСТФ), использующихся в качестве аппроксимирующих моделей выходных характеристик датчике». 3. Исследование возможностей использования тестов одного типа: аддитивных, мультипликативных или функциональных в датчиках, ФП которых описываются математическими моделями в виде ДРСТФ,
Создание базы данных типовых ФП ДМВ и соответствую і цих им алгоритмов реализации тестовых методов,
Разработка методов бесконтактной установки датчиков на заданном расстоянии от объекта и контроля этого расстояния в автоматическом режиме на протяжении всего цикла измерений.
Разработка конструкций и схем ДМВ, инвариантных к ДФ, на основе современной элементной базы и микроконтроллеров и их практическое использование как в виде автономных приборов, так и в составе АСУ. Экспериментальные и теоретические исследования полученных методов и датчиков.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы дифференциального и интегрального исчислений, аппарат линейной алгебры, численных методов, теория инвариантности, теория вероятностей и теория погрешностей. При проведении численных расчетов использовались высокоуровневые методы программирования.
Научная новизна работы заключается в развитии теории тестовых измерений применительно к ДМВ, обеспечение инвариантности к ДФ результатов измерений датчиков для повышения их точности, стабильности и расширения диапазона измеряемых величин.
1. Впервые разработаны алгоритмы реализации тестовых методов повышения точности и стабильности ДМВ на основе обобщенных математических моделей, использующих ДРСТФ. Известные алгоритмы строятся на
основе полиномов и кусочно-линейного описания ФП датчиков и требуют наличия обязательно тестов двух типов: аддитивных и мультипликативных. 2. Показана возможность использования в разработанных алгоритмах тестов одного типа: аддитивных, мультипликативных или функциональных для ДМВ, ФП которых описываются ДРСТФ. 3- Впервые получены аналитические выражении для определения измеряемой величины ДМВ по результатам тестовых измерений на основе функциональных тестов — физических величин, функционально связанных с измеряемой величиной.
Разработан новый метод измерений, обеспечивающий работу ДМВ на линейном участке ФП. Метод реализуется путем анализа значения второй производной ФП датчика. Величина второй производной определяется на основе информации, полученной при тестовых измерениях.
Предложен новый способ бесконтактной установки ЧЭ датчиков на заданном расстоянии от поверхности исследуемого объекта в автоматическом режиме па протяжении всего времени измерений. Способ основан па формировании и обработке разностного и суммарного сигналов и двух измерительных каналов ДМВ. Разностный сигнал используется для стабилизации рабочего расстояния, а суммарный — для стабилизации чувствительности датчика.
Предложен способ температурной коррекции выходной характеристики ДМВ; новизна которого заключается в комбинации тестовых измерений и впервые реализуемого бесконтактного определения температуры ЧЭ по его проводимости вихретоковым методом.
Разработаны новые конструкции, структурные схемы и алгоритмы функционирования ДМВ, позволившие повысить их устойчивость к ДФ и расширить диапазон измеряемых величин.
Практическая ценность работы.
Предложена совокупность конструктивных, схемотехнических и алгоритмических решений, обеспечивающих создание ДМВ, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям, обладающих расширенным диапазоном изменении измеряемого параметра.
Создана база данных, содержащая типовые ФП ДМВ и соответствующие
им алгоритмы реализации тестовых методов. Разработан измерительно-вычислительный комплекс, программно- аппаратное обеспечение которого позволяет по экспериментально полученным характеристикам преобразователей определить соответствующий им тестовый алгоритм. Это существенно сокращает сроки проектирования, уменьшает затраты на экспериментальные исследовании датчиков. Разработаны преобразователи перемещений, вибраций, положения и давления, реализующие разработанные методы и теоретические положения, позволяющие повысить устойчивость ДМВ к ДФ, среди которых
волоконно-оптические датчики перемещений, рабочий диапазон которых расширен в 5 раз по сравнению с аналогичными преобразователями. Датчики обеспечивают результат, инвариантный к загрязнению контролируемой поверхности, к изменениям мощности источника излучения и к внешним засветкам;
электромагнитные датчики перемещений, рабочий диапазон которых увеличен в 3 раза по сравнению с аналогами. Результат измерений датчиков инвариантен к воздействию ішепишх электромагнитных полей:
волоконно-оптические датчики вибраций, обладающие возможностью бесконтактной установки ЧЭ на заданном расстоянии от исследуемых объектов и контроля этого расстояния в автоматическом режиме на протяжении всего времени измерений. Датчики позволяют устанавливать рабочий зазор с точностью 0,01 мм непосредственно в процессе измерения вибраций; — термокомпенсироваштые датчики давления па основе использования конструктивно совмещенных волоконно-оптических и иихретоковых каналов измерения, принцип действия которых основан на использовании тестовых измерений и впервые реализуемого бесконтактного определения температуры ЧЭ по его проводимости вихретоковым методом. Датчик позволяет зафиксировать погрешность измерений на уровне 1% в условиях высоких температур (до 300С и выше).
На защиту выносятся:
1. Алгоритмы реализации тестовых методов на основе математических моделей, использующих ДРСТФ и тестов одного вида: аддитивных или
мультипликативных, позволяющие повысить устойчивость датчиков к ДФ в области измерения механических величин.
Способ измерения перемещений па основе использования в ДМВ функциональных тестов, позволяющий сохранить высокую точность и стабильность датчиков в условиях ДФ в широком диапазоне изменении измеряемого параметра и в течение длительного времени,
Метод измерений, обеспечивающий работу ДМВ на линейном участке их ФП. Метод реализуется путем анализа значения второй производной ФП датчика. Величина второй производной определяется на основе имфо]ь мации, полученной при тестовых измерениях.
Способ бесконтактной установки ЧЭ датчиков па заданном расстоянии от исследуемых объектов и контроля этого расстояния в автоматическом режиме па протяжении всего времени измерений. Он основан на формировании и обработке разностного и суммарного сигналов с двух измеритель-пых каналов ДМВ и позволяет повысить достоверность измерений без проведения дополнительных калибровок. 5. Способ температурной коррекции характеристик преобразователей, основанный на бесконтактном измерении температуры ЧЭ по его проводимости.
G. Конструкции, структурные схемы и алгоритмы функционирования ДМВ, устойчивых к ДФ, для контроля перемещений, вибраций, положении и давления с широкой областью практических применений.
Реализация результатов работы. На основе полученных в диссертационной работе теоретических результатов разработаны и внедрены в производство и в учебный процесс технических специальностей вуза ДМВ, устойчивые к ДФ, основанные на бесконтактном оптическом, электромагнитном и вихретоковом взаимодействии с контролируемым объектом и предназначенные дли контроля перемещений, вибраций, положения объектов, а также для измерения давлений жидкостей и газон. Отличительной особенностью разработанных датчиков является присутствие в них одного или нескольких корректирующих каналов с аналогичной или отличающейся от основного измерительного капала физической природой. Созданные аппаратные средства внедрены в стендах "Испытания кузова па изгибпую
и крутильную жесткость", "Испытания капота, крыши багажника па долговечность |Тна предприятии ОАО "АВТОВАЗ"(г. Тольятти), в системе автоматического контроля и управления установкой правки насосных штанг и в установке для опресеовки труб в ЗАО НИПЦ "НефтеГазСервысп{г. Самара), в составе системы позиционирования лазерного микроскопа в НПО мВолпа"(г. Москва) и в учебный процесс Тольятти некого государственного университета (г, Тольятти),
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на первом Всесоюзном совещании-семинаре "Датчики и преобразователи информационно-управляющих систем"(Москва, 1987), Всесоюзной научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства неразрушающего контроля качества промышленной продукции"(Саратов, 1991), постоянно действующем научно-техническом семинаре "Современные методы и приборы неразрушающего контроля"(Москва, 1992), Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии и системы"(Пепза, 1994), 1-ой Поволжской научно-технической конференции "Научно-исследовательские разработки и высокие технологии двойного иримспсиия"(Самара, 1995), Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и инфор-матика"(Москва, 1995), Международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития двигатслестроеиии в Поволжском регионе11 (Самара, 1997), Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Генерального конструктора аэрокосмической техники акад. Н.Д, Кузнецова (Самара, 2001, 2006), Международном юбилейном симпозиуме "Актуальные проблемы пауки и образования "(Пенза, 2003), VIL VIII, XIY и XYI научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и уі]равления"(Гурзуф, 1993, 1995, Судак, 2002, 2004), Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций"(Самара, 2005. 2006), Международной научно-технической конференции "Датчики и системы- 2005"{Пен-за, 2005).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 63 печатных работы, в том числе 1 монография, 1 учебное пособие, 10 статей в изданиях, рекомендованных ВАК. 16 статей в сборниках трудов. Получено 14 авторских свидетельств СССР и патентов РФ па изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 271 странице текста, содержит 63 рисунка и G таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассмотрены математические модели погрешностей датчиков, функционирующих в условиях ДФ. Анализ источников информации показал, что в соответствии с современными метрологическими представлениями погрешность датчика целесообразно разделить на две составляющие: коррелированную, объединяющую систематические, прогрессирующие и относительно медленно изменяющиеся случайные погрешности и некоррелированную- включающую все некоррелированные случайные погрешности. Проведен анализ наиболее эффективных методов уменьшения коррелированной составляющей погрешности измерений: методов образцовых мер, итерационных, тестовых, вспомогательных измерений, а также методов, использующих мостовые схемы включения датчиков. Показано, что тестовые методы являются наиболее перспективными, так как позволяют учесть погрешности всего измерительного тракта. Выявлены недостатки, которые сужают область применения тестовых методов. Известные алгоритмы строятся на основе полиномов и кусочно-линейного описания ФГТ датчиков и требуют наличия обязательно тестов двух типов: аддитивных и мультипликативных, что является трудно выполнимым для большинства ДМВ. Кроме этого, при использовании кусочно-линейной аппроксимации тестовые методы характеризуются увеличением в 20 — 30 pa;j случайной составляющей погрешности измерений по сравнению с однотакгпьш (не тестовым) измерением. Все вышеперечисленные недостатки существенно сужают область применения тестовых методов. Сформулирована научная
проблема, решение которой позволяет создавать ДМВ, инвариантные к ДФ, на основе тестовых измерений и тестов одного вида: аддитивных, мультипликативных или функциональных, с невысоким значением случайной и методической составляющих погрешности измерений. В качестве одного из путей решения данной проблемы был намечен подход к созданию тестовых алгоритмов повышения точности и стабильности ДМВ на основе обобщенных математических моделей, использующих ДРСТФ. позволяющий разрабатывать датчики, устойчивые к ДФ в широком диапазоне измерений.
Во второй главе представлены результаты разработки теоретических основ создания инвариантных к ДФ ДМВ с дробно-рациональными, степенными и трансцендентными характеристиками на основе тестовых преобразований. Получена обобщенная математическая модель тестового алгоритма для преобразователей с дробно-рациональными характеристиками. Разработаны математические модели тестовых алгоритмов повышения точности для ДМВ со степенными и трансцендентными функциями преобразования. Теоретически доказана возможность использования тестов одного типа для реализации полученных алгоритмов. Предложен способ преобразований на основе функциональных тестов, позволяющий поддерживать заданную точность в жестких условиях эксплуатации при невозможности получения тестовых алгоритмов па основе аддитивных либо мультипликативных тостов. Разработанные теоретические положения и полученные аналитические выражения тестовых алгоритмов дают возможность создавать устойчивые к ДФ ДМВ с целыми рациональными, линейными, дробно-рациональными, степенными и трансцендентными ФП па основе использования в них тестов одного вида: аддитивных, мультипликативных или функциональных. Таким образом, область применения тестовых методов существенно расширена.
В третьей главе разработан и обоснован математический аппарат эффективной аппроксимации экспериментальных характеристик ДМВ ДРСТФ. Описана созданная база данных типовых ФП ДМВ и соответствующих им алгоритмов реализации тестовых методов.
При проектировании ДМВ на основе тестовых измерений возникает за-
дача адекватного математического описания их ФП, Это связано с многообразием существующих средств измерения механических величин. Удачный выбор вида зависимости, аппроксимирующей ФП ДМВ, обеспечивающей высокую точность при малом количестве членов, приводит к существенному упрощению тестового алгоритма, уменьшению тактои или каналов измерения и количества формируемых в датчике тестов.
Решению поставленной задачи способствовал разработанный ИВК. К функциям, непосредственно выполняемым ИВК, относятся: 1) формирование напряжений и токов заданной формы и частоты для питания ДМВ; 2) сбор информации с датчиков; 3) обработка измерительной информации; 4) проверка качества аппроксимации.
Программное обеспечение ИВК позволило установить для экспериментально полученных ФП вид аппроксимирующих зависимостей из числа целых рациональных и ДРСТФ. С помощью ИВК была решена задача выбора на экспериментально полученной характеристике датчика рабочей области тестового метода, в которой размещаются измеряемая величина и ее комбинации с тестами. В качестве критерия оптимальной аппроксимации использовался минимум интегральной среднеквадратичной ошибки в заданном диапазоне изменения переменной х и параметров щ ФП Рабочая область для конкретного датчика выбиралась максимально возможноіі, исходя из допустимых значений погрешности аппроксимации и степени увеличения случайной погрешности измерений.
Анализ характеристик более тридцати наименований номенклатуры ДМВ показал, что описание ФП датчиков нелинейными моделями и проектирование преобразователей на их основе позволяет существенно, в 5 -10 раз расширит]* рабочий диапазон ДМВ при том же уровне допустимой погрешности аппроксимации, что и для линейной модели. На основе проведенных с помощью ИВК исследований создана база данных типовых ФП ДМВ и соответствующих им алгоритмов реализации тестовых методов. База данных включает в себя более 30 различных функций и алгоритмов. Разработанное программное обеспечение позволяет по экспериментально полученным характеристикам ДМВ определять оптимальные тестовый ал-
горитм и рабочую область тестового метода, что существенно сокращает сроки проектирования ДМВ,
Четвертая глава посвящена новым ДМВ па основе тестовых измерений и одного типа тестов. Такие датчики, работая в жестких эксплуатационных условиях, обеспечивают результат, инвариантный к ДФ, которые могут изменяться в широком диапазоне непредсказуемым образом- Предложенные в диссертационной работе подходы к построению ДМВ. инвариантных к ДФ, реализованы в преобразователях различной физической природы с целью продемонстрировать универсальность разработанных методов и алгоритмов. Отличительной особенностью разработанных преобразователен является наличие одного или нескольких корректирующих каналов, позволяющих обеспечить повышенную точность по сравнению с одноканальними датчиками.
Описан метод измерений, обеспечивающий работу ДМВ на линейных участках их ФП. Метод реализуется путем анализа значения второй производной ФП датчика на основе информации, полученной при тестовых измерениях. "Установка ЧЭ преобразователя осуществляется непосредственно в процессе измерений. Рассмотрен способ бесконтактной установки ЧЭ датчиков па заданном расстоянии от поверхностей исследуемых объектов в автоматическом режиме па протяжении всего времени измерений. Способ основан па формировании и обработке разностного и суммарного сигналов с двух измерительных каналов ДМВ. Разностный сигнал используется для стабилизации рабочего расстояния, а суммарный — для стабилизации чувствительности датчика. Погрешность установки составляет 0,1 % и не изменяется к течение всего времени контроля. Гарантированная установка ЧЭ ДМВ на заданном расстоянии от исследуемого объекта, соответствующем определенной точке его ФП, позволяет свести к минимуму методическую составляющую погрешности, возникающую при несовпадении ФП датчика с используемой математической моделью.
Описан предложенный способ температурной коррекции выходной характеристики преобразователей, основанный на тестовых измерениях и впервые реализуемом бесконтактном определении температуры ЧЭ по его
проводимости вихретоковым методом. Способ позволяет поддерживать заданные точность и стабильность в условиях повышенных температур.
Рассмотрены новые преобразователи перемещений, вибраций, положения и давления, реализующие разработанные методы и теоретические положения, позволяющие повысить устойчивость ДМВ к ДФ.
В пятой главе рассмотрены конструктивно-технологические особенности разработанных ДМВ па основе тестовых измерений. Приводится анализ эффективности разработанных способов измерений и реализующих их датчиков. Получены аналитические выражения для оценки погрешностей тестовых ДМВ на основе описания их ФП ДРСТФ.
Анализ погрешностей разработанных ДМВ показал, что использование в них тестов одного типа позволяет существенно повысить точность измерений датчиков в условиях воздействии на них ДФ, Методическая погрешность, связанная с неадекватностью реальной функции преобразовании ДМВ теоретической модели составляет 1%. Интервалы аппроксимации нелинейных характеристик датчиков дробно-рациональными, степенными и трансцендентными функциями увеличены в 3 — 5 раз по сравнению с интерпалами кусочно-линейной аппроксимации. По сравнению с известными разработанные алгоритмы обеспечивают уменьшение d 12 — 15 раз некоррелированной составляющей погрешности тестовых измерений и уменьшение погрешности формирования тестов на 20% в среднем по диапазону. Правомерность теоретических выводов подтверждена результатами экспериментальной проверки метрологических характеристик разработанных ДМВ,
В шестой главе приведены примеры практического применения инвариантных к ДФ ДМВ. Разработанные ДМВ отличаются высокой стабильностью, широким диапазоном изменения измеряемого параметра, обладают высокими метрологическими характеристиками по уровню случайной составляющей погрешности измерений и используются как в виде автономных приборов, так и в составе АСУ-
Волоконно-оптические измерители вибраций ВОИВ 9802 используются в стенде "Испытании кузова на изгибнуго и крутильную жесткость11, В ВОИВ предусмотрена возможность автоматической установки рабочего расстоя-
ния между торцом волоконно-оптического жгута и поверхностью контролируемого объекта непосредственно в процессе измерений, вне зависимости от изменений мощности источника излучения, отражающих свойств поверхности и внешних засветок, а также поддержания на постоянном уровне чувствительности к вибрации при заданном установочном зазоре. Ослаблено действие на ВОИВ таких ДФ, как запыленность среды между торцом волоконно-оптического жгута и объектом контроля, наличие внешних засветок, загрязнение поверхности вибрирующего объекта и изменения мощности источника излучении.
Двухканальный волоконно-оптический датчик положения (ВОДП 9103) использовался в системе позиционирования лазерного микроскопа ЛСМ. В ІЗОДП формирование разностного сигнала с двух каналов измерения производилось путем вычитания самих токов фотодиодов; поверхность контролируемого объекта освещалась модулированным светом с помощью полупроводникового лазера; длительность импульса лазера выбиралась кратной 1/50Гц=20мст что позволило полностью подавить наводку, действующею с частотой 50 Гц и проникающую как в виде пульсаций света от ламп накаливания, так и в виде электромагнитной помехи. Электромагнитные ЭДП 01 и волоконно-оптический ВОДП 0504 датчики перемещений использовал псі» в АСУ стенда "Испытания капота, крыши багажника на долговечность11. Применение тестовых алгоритмов на осноле ДРСТФ и одного типа тестов позволили существенно, в 10 раз уменьшить случайную погрешность измерений. В процессе проведения испытаний была зарегистрирована индукция электромагнитного поля на уровне 90 мТ. При этом погрешность измерений ЭДП осталась прежней (1 %).
Разработанные термокомиенсировашгые датчики давления показали хорошую термостабильность. По сравнению с серийно выпускаемыми датчиками Мстран-100, Сапфир-22, предназначенных для работы в температурном диапазоне, верхняя граница которого достигает максимум 80С, созданные ТДД обеспечивают погрешность на уровне 0,5% при температурах рабочих сред до 300С, что превосходит характеристики серийно выпускаемых в настоящее время датчиков.
Оценка эффективности существующих методов автокоррекции погрешностей измерений
Наиболее известным и широко распространенным методом, пригодным для уменьшения погрешностей датчиков является конструктишю-техпологический метод, основанный на определении источников наиболее существенных погрешностей и всемерном снижении их влияния. Термо-статированис. использование прецизионных элементов, материалов со стабильными характеристиками — приемы, использующиеся в конструктивно-технологическом методе. Очевидно, что возможности метода являются ограниченными, кроме того, стоимость датчиков значительно возрастает при использовании данного метода.
Рассмотрим методы повышения точности, основанные на статистической обработке результатов многократных и многоканальных измерений измеряемой величины х. Структурная схема устройства с временным разделением каналов измерений, реализующая метод многократных измерений, приведена на рис, 1,1, Иначе такая схема называется схемой с последовательной структурой. /115/ В результате п измерений входной величины х при помощи первичного преобразователя (ПП) получают ряд значений у\, у% .,., уп выходной величины, каждое из которых представляет собой сумму номинального значения выходной величины у — /n(#, ai„, ,..,агщ) (здесь й{, а% .,., ап параметры функции преобразования ПП) и погрешности преобразователи Д :
Дополученные результаты обрабатывают методами математической статистики, например, усредняют; Считается, что погрешность среднего в у/іі раз меньше погрешности отдельного измерения, если п — общее число измерений. Такой прием уменьшения погрешностей может быть эффективным, если выполняются следующие условия: 1) измеряемая величина должна оставаться неизменной в процессе выполнения п наблюдений; 2) случайная составляющая погрешности датчика должна быть доминирующей, так как в случае преобладания систематической составляющей, многократные измерения несущественно повысят точность измерений; 3) интервал времени между отдельными измерениями должен обеспечивать практическую независимость результатов измерений, то есть должен превышать интервал корреляции случайной функции, которой описывается погрешность датчика. Чем больше интервал между отдельными измерениями и чем больше этих измерений, тем иустойчивсс"зііачение среднего. Если интервалы между наблюдениями больше интервала корреляции Т, то есть коэффициент корреляции для значения Т близок к О, то можно считать значения погрешностей независимыми. Таким образом, погрешность усредненного результата измерений можно считать в /п раз меньше погрешности отдельного измерения, только если интервал между повторными измерениями обеспечивает практическую независимость значений погрешности (что реализуется если коэффициент корреляции близок к 0).
Однако первое и третье условия на практике редко выполняются совместно, так как измеряемая величина не остается неизменной в течение нескольких измерений, отделяемых друг от друга интервалом корреляции.
Итак, если интервал времени между отдельными измерениями обеспечивает практическую независимость результатов измерений, то есть превышает интервал корреляции случайной функции, которой описывается погрешность датчика, то основная погрешность, вносимая им, уменьшается, точнее уменьшается ее некоррелированная составляющая Д(і) в /її раз. Коррелированная составляющая погрешности при этом не уменьшается. Погрешность Д(/) является нестационарной случайной функцией времени, поэтому, если число п выбрано таким, что в интервале Т — пт нарушено условие (1.2), то функция A(t) в данном интервале может изменяться по различным законам, например, монотонно возрастать- При этом коррелированная составляющая погрешности А((), полученная в результате усреднения, в общем случае может быть больше, чем такая же составляющая при единичном измерении.
Другой метод уменьшения некоррелированных составляющих погрешностей преобразователей основан па статистической обработке результатов многоканальных измерений. Схема многоканального датчика представлена нарис, L2. Измерения входной величины производятся при помощи п идентичных параллельных каналов ПП17 ПП2,..., ППп. В таком устройстве время Тт необходимое для п измерений, равно времени г одного измерения, что практически исключает динамическую погрешность А&п. Однако возникает погрешность, обусловленная нсидентичпостыо каналов измерения, и ряде случаев весьма существенная, поскольку конструктивно-технологические меры, призванные обеспечить идентичность каналов, имеют ограниченные возможности. Кроме того, наличие п измерительных каналов усложняет датчик. Возможно также комбинированное построение преобразователей с временным и пространственным разделением каналов или с параллельно-последовательной структурой /115/.
В заключение следует отметить, что методы статистической обработки результатов многократных и многоканальных измерений являются эффек тинными методами уменьшения лишь некоррелированных погрешностей датчиков.
Рассмотрим основные методы уменьшения постоянных и переменных систематических погрешностей преобразователей, т.е. коррелированной составляющей ОСНОЇЗИОЙ погрешности датчика. Для компенсации постоянных систематических погрешностей используются такие широко известные методы как введения поправок, замещения, компенсации погрешностей но знаку. На практике, например, при решении задач контроля механических величин в системах автоматического управления объектами различной физической природы, основную составлявшею в общей погрешности измерений представляют неременные систематические погрешности, обусловленные изменениями температуры, влажности, давления окружающей среды, изменениями питающих напряжений, влиянием внешних электрических, магнитных полей, внешних засветок и т.д. Переменные систематические погрешности зависят от изменяющихся внешних воздействий, значения которых обычно не известны и поэтому проявляют себя как случайные функции времени- От случайных погрешностей переменные систематические погрешности отличаются тем, что представляют собой нестационарные случайные функции, изменяющиеся во времени относительно медленно- Уменьшение подобных переменных систематических погрешностей представляет собой актуальную и достаточно сложную задачу /55/.
Для решения данной задачи академиком Петровым был сформулирован принцип много капал ыюсти применительно к автоматизированным системам у правления (АСУ) /128/, развитый впоследствии Менскнм Б.М, /107/. Если рассматривать датчики как динамические системы, то принцип инвариантности вполне может быть применен к данному типу устройств. Затронутые Петровым Б.М., Мепским Б,М. и другими учеными вопросы физической осуществимости абсолютной инвариантности применительно к АСУ являются актуальными и для преобразователей информации. Рассмотрим подробнее эти вопросы.
Обобщенный алгоритм реализации тестовых методов на основе описания ФП ДМВ дробно-рациональными функциями
Разработанный в /19/ математический аппарат тестовых методов повышения точности измерений предполагает описание ФП всех датчиков математической моделью вида (1.22), то есть целой рациональной функцией, иначе говоря, полиномом го-ой степени. Все выводы, положения и ограничения, выдвинутые в /19/, относится именно к данному виду математических моделей. При реализации тестовых алгоритмов в технических устройствах ограничиваются п-ым членом зависимости вида (1,22), Попытка повышения точности за счет увеличения степени п приводит к существенному усложнению тестовых алгоритмов, возрастанию в десятки раз случайной погрешности по сравнению с одиотактным (не тестовым) измерением, для компенсации которой требуется повышение разрядности ЛЦП и увеличение времени измерения, В то же время ФП ряда датчиков со значительно меньшей погрешностью аппроксимации при том же количестве членов или искомых коэффициентов можно представить другими математическими моделями. Упрощение зависимостей, описывающих ФП ДМВ, приводит к уменыпению тактов или каналов измерений, количества используемых тестов, а также указанных выше погрешностей.
Оценим возможности реализации тестовых алгоритмов в ДМВ на осно ве описания их ФП дробно-рациональной функцией и использования в них тестов только одного вида. Известно /9, 10, 11, 56, 58/, что ФП электромагнитных, емкостных, волоконно-оптических и др. датчиков перемещений в широком диапазоне изменении измеряемого параметра с погрешностью 0,05% можно описать следующей зависимостью: Получим обобщенный тестовый алгоритм для случая дробно-рациональных функций вида где п 0 — целое, х измеряемая величина, определенная всюду па множестве действительных чисел, at, аа, ..., ап — коэффициенты преобразования. В случае описания ФП ДМВ выражением вида (2.8) результаты дополнительных тестовых преобразований yi, у% .,., уп представляются следующим образом Для получения алгоритма реализации тестового метода повышения точности измерений необходимо вначале определить реальные значения параметров математической модели а\7 а% ..,, ап ФП датчика из системы уравнений (2.9 ). Затем подставить в (2.8) текущие значения параметров а\, а2, ..., ап. После этого следует найти величину х из (2.8 ). Окончательное соотношение, показывающее связь измеряемой величины х с результатами у у2) .„, уп преобразований и величинами А\(х)7 А2(х)г.., Ап{х) обобщенных тестов, будет представлять собой алгоритм повышения точности измерений.
Получим в общем виде соотношения для параметров ai, а2, ..., ап из системы (2.9), которая представляет собой систему линейных уравнений относительно а\ — ап. Её решение записывается следующим образом /53/ Числители rfi, (/2? --і dn в формулах (2Л0) представляют собой определители, получающиеся из определителя d после замены в нем і - го столбца столбцом, состоящим из результатов j/i, 1/2, , Уп дополнительных преобразований: Вычислим определитель (2.16) двумя способами: 1) как определитель Ван-дермонда и 2) как разложения по n-ой строке. Как определитель Вандермонда d! равен: 1 (2.17) п получим равенство двух полиномов (га—1) -й степени от , откуда следует равенство коэффициентов при одинаковых степенях , Алгебраическое дополнение Dni элемента г 5 получаемое из определителя d! вычеркиванием тг—ой строки и г—то столбца, равно искомому определителю (2.15),
Измерительно-вычислительный комплекс для аппроксимативного анализа ФП ДМВ
D связи с тем, что в настоящее время не существует универсального тестового алгоритма для любого типа датчиков, возникает проблема его выбора па основании вида математической модели, к которой в наибольшей степени приближены реальные характеристики преобразователей. Решению поставленной задачи для большого числа датчиков в значительной степе-пи способствовал разработанный автором измерительно-вычислительный комплекс (ИВК), К функциям, непосредственно выполняемым ИВК, относятся: 1) формирование напряжений и токов заданной формы и частоты для питания датчиков; 2) сбор информации с датчиков; 3) обработка измерительной информации; 4) проверка качества аппроксимации.
ИВК может работать в двух режимах: 1) проведения эксперимента и непосредственной обработки измерительной информации, 2) обработки информации, полученной ранее, из файла с диска или с внешнего носителя. Наличие двух режимов расширяет возможности ИВК, позволяет решать задачи аппроксимативного анализа характеристик преобразователей как при непосредственном контакте датчика с аппаратурой ИВК, так и путем обработки данных, полученных вручную, па других аппаратных средствах или на любом удалении от ИВК.
Рассмотрим структуру ИВК. На рис. ЗД приняты следующие обозначения: ОЗУ— оперативное запоминающее устройство. Буквой " Atr обозначена адресная шина ОЗУ, ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь, У1 — первый усилитель, U/I - преобразователь напряжения в ток, К — коммутатор, Д — исследуемый датчик, ФД — фазовый детектор, Ф — фильтр, У2 — второй усилитель, PI, Р2 — первое и второе реле, АЦП — аналого-цифровой преобразователь, МК — микроконтроллер, ПУ — преобразователь уровней и ВУ — вычислительное устройство.
В связи с большим разнообразием исследуемых датчиков, одной из главных целей, преследовавшихся при разработке комплекса, было добиться его универсальности- Датчики механических величин различной физической природы запитываются как постоянным напряжением в диапазоне от 3,3 до 27 В, так и импульсным, и переменным током различной амплитуды и частоты. Поэтому та часть ИВК, которая отвечает за формирование напряжений питания преобразователей, содержит два ОЗУ, два ЦАП, усилитель, преобразователь напряжения в ток и два реле. Часть комплекса, непосредственно задействованная в обработке измерительной информации, состоит из коммутатора, фазового детектора, фильтра, второго усилителя и АЦП. Вычислительное устройство, в качестве которого используется персональный компьютер, и микроконтроллер управляют как формированием напряжений питания датчиков, так и выполняют обработку измерительной информации. Усилители являются также программно управляемыми.
Аппаратная часть ИВК работает следующим образом. Микроконтрол лер получает от компьютера по RS-капалу рассчитанные коды для ЦАП в соответствии с выбранной формой тока для запитки датчика. Далее эти коды микроконтроллер заносит в микросхемы ОЗУ. После этого микроконтроллер освобождает шину данных ОЗУ и переводит ОЗУ из режима записи в него в режим чтения из ОЗУ- Затем начинается быстрый перебор адресов ОЗУ и при этом микросхемы ЦАП формируют сигналы нужной формы. Сигнал с первого ЦАП поступает на усилитель и на преобразователь напряжения в ток. Если датчик запитывается напряжением, то он через контакты реле Р1 подключается к выходу усилителя У1. Если датчик требуется запитывать током, то он подключается через контакты Р2 к преобразователю напряжения в ток.
Если датчик запитывается постоянным напряжением, то микроконтроллер заносит один код в ЦАП, и ЦАП на выходе выставляет один уровень напряжения. Это напряжение также усиливается усилителем и подастся иа датчик.
Сигнал с выхода датчика в зависимости от принципа его функционирования также будет иметь различную физическую природу. Если сигнал представляет собой уровень напряжения, зависящий только от измеряемой величины (тензодатчик), то он усиливается в программно управляемом усилителе У2 до уровня входного сигнала АЦП и подается иа вход АЦП через коммутатор К2, Если же сигнал модулирован (ВТП), то он поступает иа верный вход фазового детектора ФД, на второй вход которого поступает опорный сигнал с ЦАП 2. Напряжение с выхода ФД сглаживается фильтром Ф и через коммутатор К2 поступает иа вход АЦП. Положением всех коммутаторов и включением реле Р1 и Р2 управляет микроконтроллер (на схеме не показано).
При расчете кодов компьютер определяет количество точек аппроксимации в форме тока или напряжения, запитывающего датчик. Естественно, это количество не должно превышать емкость ОЗУ. Это значение (количество точек аппроксимации) МК заносит в регистр, выход которого подключен к компаратору. На другой вход компаратора поступает код с выхода счетчика, В процессе генерации тока или напряжения для запитки дат чи ка значение счетчика увеличивается. При этом происходит перебор адресов ОЗУ и выдача кодов па ЦАП — генерация периода формы запитки датчика. Увеличение содержимого счетчика происходит до тех пор, пока оно не сравняется со значением, хранящимся в регистре. При этом на выходе компаратора сгенерируется 1Т1", счетчик сбросится в 1Т0Ти генерация периода начнется сначала. При низких частотах необходимую частоту перебора кодов ОЗУ может обеспечить микроконтроллер. Если требуется генерировать сигналы с высокой частотой, то через коммутатор К1 подключается выход РДЧ, При этом МК обеспечивает только необходимую величину коэффициента деления частоты путем занесения нужного кода в регистр 2.
Поступивший на вход АЦП сигнал с датчика оцифровывается и передастся микроконтроллеру, который осуществляет обмен информацией с компьютером. Микроконтроллер осуществляет передачу сигналов через квази-днунаправленный порт ввода/вывода, каждый разряд которого может быть запрограммирован как па ввод, так и на вывод, независимо от состояния других разрядов. Он подключается к компьютеру через преобразователь уровней для согласования уровней напряжения последовательного порта микроконтроллера и последовательного порта персонального компьютера. Обмен информацией меж;\у микроконтроллером и компьютером происходит по каналу RS-232 в связи с тем, что высоких требований по быстродействию к ИВК не предъявлялось, анализу подвергались только статические характеристики датчиков. Таким образом, сигнал с исследуемого преобразователя через коммутатор поступает па вход АЦП. Полученный с выхода АЦП цифровой код подается на входы микроконтроллера, откуда через последовательный порт микросхемы и преобразователь уровней по каналу RS-232 заносится в память компьютера, где реализуются вычисления по программе, заложенной в ИВК.
Инвариантные волоконно-оптические датчики вибраций и положения, реализующие методы бесконтактной установки и контроля рабочего расстояния до объекта
Структурная схема датчика приведена па рис. 4-!3. На рисунке обозначено: 1 - лазер, 2 - жгут излучающих волоконных световодов, 3? 4 - приемные жгуты, 5,6- фотодиоды, 7- преобразователь тока фотодиода в напряжение, 8 - усилитель переменного тока, 3 - фильтр верхних частот, 10 - синхронный детектор, 11 - генератор импульсов, 12 - фильтр нижних частот, 13 -регистратор. В ВОДП 3 формирование разностного сигнала производится путем вычитания токов самих фотодиодов; поверхность контролируемого объекта освещается модулированным светом с помощью полупроводникового лазера. В ВОДП 3 использовался полупроводниковый лазер ИЛПН -301 - 1. В рассматриваемом устройстве вычитание токов фотодиодов происходит до их преобразования в напряжение, поэтому точность формирования разностного сигнала не зависит от изменения коэффициента преобразования преобразователя тока фотодиода в напряжение, В ВОДП 3 поверхность контролируемого объекта освещается модулированным светом с помощью полупроводникового лазера, что позволяет отказаться от измерения постоянной составляющей сигналов фотодиодов 5, б. Таким образом, влияние изменения напряжения смещения преобразователя 7 тока в напряжение, изменение напряжений смещения усилителей сигналов па результат измерений ВОДП 3 устранено- Рассмотрим теперь трехканальпый волоконно-оптический датчик вибрации, реализующий метод бесконтактной установки в точку перегиба его функциональной зависимости, описанный в п, 3.3, В соответствии с результатами, полученными в п. 3.3, с помощью второй производной сигнала фотоприемника по измеряемому параметру Jt выраженной в конечных приращениях, удается непосредственно в процессе измерения вибраций устанавливать торец жгута световодов на середину линейного участка функции преобразования датчика, ит не прерывая процесс измерений, контролировать величину установочного зазора. На рис. 1.11 изображена функциональная зависимость сигнала ВОДП от расстояния до объекта контроля. На графике обозначены точки перегиба (z„i, U[zni))i (zn29 U(zn2}) функциональной зависимости, вблизи которых соблюдается линейность рабочего участка в наибольшем диапазоне. При z zni и z zn2 зависимость U от z вогнута, и, в соответствии с критериями (3-28), 0, а при zni z 27& - выпукла и р 0. Приближая торец жгута световодов к поверхности контролируемого объекта или удаляя их от нее. можно добиться попадания в точку (яи1, U(zn{)) или н точку {zTl2,U(zJl2)), Схема ВОДП 4, реализующего метод бесконтактной установки в точку перегиба его функциональной зависимости, приведена па рис. 4.С.
Устройство, кроме того, позволяет исключить влияние дестабилизирующих факторов на результат измерений. На рисунке обозначено: 1 - источник излучения, 2 - жгут излучающих волоконных световодов, 3, 4 и 5 - первый, второй и третий жгуты приемных волоконных световодов соответственно, 6 - 8 фотоприемники, 9 - 11 - фильтры нижних частот, 12 - сумматор, 13, 14 - блоки вычитания, 15 - блок деления, 16 - масштабный преобразователь, 17, 18 - регистраторы. Оптические оси торцов жгутов 3, 4 и 5 расположены па одинаковом расстоянии от оптической оси торца жгута 2. Торцы жгу тон 4 и 5 смещены относительно торцов жгутов 2 и 3 о направлении перемещений объекта контроля на фиксированные расстояния Д и — Л, соответственно. Сигналы с фотоприемииков 6-8 содержат постоянную составляющую, пропорциональную расстоянию до контролируемого объекта, и переменную составляющую, пропорциональную мгновенному значению ниброперемещений. С кыходон фильтров низкой частої1 ьт 9-11 снимаются постоянные составляющие сигналов, неличины которых вблизи точки перегиба соответственно равны Здесь dOjtti коэффициенты, описывающие наклон и смещение рабочего участка функции преобразования ВОДП, которые могут изменяться под действием дестабилизирующих факторов, z — установочный зазор, т.е. рабочее расстояние между торцом волоконно-оптического жгута и объектом контроля, после установки которого измеряют вибропсрсмсщспия. Сигнал с фотоприемника G можно описать выражением где zv — измеряемое виброперемещенип.
О величине виброперемещения судят по формуле Точность определения величины zv не зависит от величин коэффициентов а.[ и йі функций преобразовании ВОДП и от их изменения под действием дестабилизирующих факторов. Алгоритм (419) реализует ВОДП 4, схема которого приведена на рис. 4-6. На выходах блоков 13 и 14 формируются сигналы U± — U\ и U% — U& соответственно, которые поступают на входы блока 15 деления. Сигнал с выхода последнего регистрируется блоком 17, а масштабный преобразователь 16 учитывает величину множителя 2Д. Однако, точность нахождения величины zv с помощью выражения (4.19) будет значительно снижаться, если реальный рабочий участок ВОДП выйдет за пределы линейности функции преобразования датчика, например, в результате воздействия на датчик дестабилизирующих факторов. Дли того, чтобы выйти на точку перегиба зависимости U{z), необходимо в процессе контроля постоянно определять значение . Эту величину можно выразить в конечных приращениях z путем формирования сигнала (3.33). Сигнал Q равен пулю в том случае, если торец измерительного жгута 3 находится на расстоянии zn\ или #п2 от отражающей поверхности контролируемого объекта. Если Q 0 и торец жгута 3 расположен вблизи точки перегиба Zjii, то жгут световодов следует отодвинуть от поверхности контролируемого объекта, если Q 0, то приблизить к поверхности контролируемого объекта. Сигнал Q, формируемый согласно (3.33), появляется на выходе сумматора 12. Регистратор 18 фиксирует отклонение величины Q от 0.
