Содержание к диссертации
Введение
Глава I . Обзор составляющих МТ7ГІ и методов их уменьшения ] О
1.1 Явление чагнитосірикшіи. Принцип действия, элементы конеcnрукци и МПП 10
1.2 Составлякшше погрешности МПЛ и известные методы их уменьшения 15
1.2.1 Систематические составляющие погрешности МПП 15
122- Случайные составляющие погрешности МПП 27
1.3 Сравнительный анализ іюітзешностей' МПТТ 3 \
Выводы по ntpcofi главе 33
Глава 2 . Лсрвичньїе магннтострнкниониые преобразователи nepeMeuiEFiHs с тестовой величиной линейного расстояния 34
2.1 Тестовая величина линейного расстояния 34
2.2 Конструкции ПМПП с тестовой величиной линейною расстояния 3?
2.3 Описание работы МПП с тестовой величиной линейного расстояния 41
Выводы по второй глгие 49
Глана 3. Исследование алгнрн глсд обработки ннформаиіі.і. поступающей с первичного магнитострикиионного гїреоСрз^овіпепч переисшеиия с icCTyiton пел чинной линейною расстояния 50
3.1 Уточнение сташчісюїї характеристики перничиого нагнтссірнкцновнот'о преобразователя перемещения чп
3.2 Влияние алгоритма обработки информации на погрешность иагпитострикп ионного преобразователя перемещения 5Ь
3.3 Влияние алгоритма обработки информации из быстродействие мпініпйстрикіцюжіога преобрл'їопятеля необходимый объем запоминающего іоройетвл 59
Выводы но третей главе 69
Глава 4 . Исследование влияния помех на погрешность магнмтострикпионных преобразователен перемещения 71
4.1 Влияние внешних магнитных полей на погрешность МЛП 71
4.2 Влияние перекоса звукопрояода па погрешность МПП &4
4.3 Гекішендаиии по уменьшению воздействия магнитных и механических источников помех на погрешность преобразования МПП
Вы ноды по четвертой главе 91
Глава 5. Экспериментальные исследования магнитос-трнкционного преобразователя перемещения 92
5.1 Макетный магннтострншионнын преобразователь перемещения 92
5.2 Статическая характерне гика макетного магнигостримщуиного преобразователя перемещения 99
5.3 Исследование акустозлектрнчееких нцеобрачопателея с компенсационными обмотками 102 Выводы по пятой главе 104
Основные результаты и выводы ! 05
Список использовании^ литера гурьл 107
Приложение І. Лис іинг программы для ЧНІДЇЛ провал ия работы магшггострикппонпого преобразователя перемещения с тестовой величиной линейного расстояние 117
Приложение 2. Результаты моделирования работы магкиїострикциолкою преобразователя перемещения с тестовой величиной линейною расстояния \2А
- Систематические составляющие погрешности МПП
- Описание работы МПП с тестовой величиной линейного расстояния
- Влияние алгоритма обработки информации из быстродействие мпініпйстрикіцюжіога преобрл'їопятеля необходимый объем запоминающего іоройетвл
- Статическая характерне гика макетного магнигостримщуиного преобразователя перемещения
Введение к работе
Все более широкое применение автоматизированных систем контроля и управлении, функционирующих ь реальном масштабе времени, является особенностью современного развития техники. Эффективность подобных систем зависит в том числе и от измерительной информации о контролируемых объектах. процессах и т.п., а, следовательно, и от метрологические, статических, динамические, экономически* и других характеристик средств измерения, кагирые предоставляют измерительную информацию автома і тированной системе. Немалую долю в комплексе физических величин^ измеряемых в процессе функционирования автоматизированных систем, занижают линейное перемещение (уровень жилких и сыпучих нешеств, положение исполнительных органов роботов, контроль линейных размеров и др). Магнитострикц ионные преобразователи перемещения СМПП)Т относящиеся к ультразвуковому локационному типу преобразователей. являются на сегодняшний лень весьма перспективными по сравнению с такими часто применяемыми типами прсобрачояателеи линейного перемещения. как лотенцпомегрические. емкостные. индуктивные. трансформаторные. оптические [55. 60. 87]. Это объясняется, в частности, такими их преимуществами^ как высокая разрешающая способность по перемещению (около ОЛмм) и низкая погрешность преобразования ігри большом диапазоне преобразуемы к перемещении {единицы -
ЛЄСЯГКИ МЄфОЄ)* ерйВНИТеяЫЮ Ы.1СОКЯЯ ЄТЄГ№НІ. ЛИІІЄИНОСТИ. ВОЗМОЖНОСТЬ бесконтактною преобразования м широком диапазоне рабочих температур. дешевизна н др> В качестве недостатка МШ1 следует указать высокую вой ірии мчи носі ь к магнитным и механическим номерам.
Достигнутые на сегодняшний день значении погрешности преобразования и разрешающей способности по перемещению не удовлетворяют уровню гребованнй (таїм. Ill) [ 1SJ^ Предъявтнемых к [ТЛИ при измерении перемещения э некоторых системам* например - в прецизионные шнройриводак.
Наиболее известными зарубежными фирмами - производителями МІІГІ являются ВаЦцГ, l-'illips (Германия}, Temposomc- Capio&uiiic. l-quipil- Schlumbcr^cr Industries (Франция). Industrial Drives Viokers. MIS (США). R большинстве случаев конструкции МПП\ разработанные за рубежом, сопровождаются информацией ішшь
Таблица Bl Требования, предъявляемые к ШІП. входящим в состав некоторых систем управления рекламного характера, и предоставляют результат измерения переметений не в цифровой форме, а в виде причалу/і ирова ни ото временем распространения ультразвуковой волны сигнала.
В России исследованиям б области МЛН посвящены работы Артечьеиа 'J.A., Демина С.1>.. Мукаева Р.Ю., Надеева .A.M., Петрищева О.П.. Уракееева М.А., Шпиня А.П., Ясонееаа G.X. и др., и которых рассмотрены принципы построения МІІҐІ. улучшения их характеристик на основе как конструктивных;, так и алгоритмических истодов. В последние годы интенсиьно раїиияаются алгогжтзшческие методы улучшения метрологических характеристик МНИ {fiO, 61. &5). Сопершенствование конструкции первичных МПП с шлью формирования более достоверной первичной информации совместно с алгоритмическими методами пшволнт повисить конкурентоспособность угоґо полкласса ПЛІГ та счет улучшения характеристик частично заменить более точные, по и более дорогие оптические ПЛІ1.
В свяіїї с вышеизложенным, разработка новы* принцпгтп ц методов улучшения разрешающей" способности и уменьшения погрешности МПП ямаетея актуальной.
7 Автор выражает глубокую бл а гол ари ості, заслуженному деятелю науки Российской Федерации и Республики Башкортостан, заведующему кафедрой "Информационно - измерительная техника1' Уфимского государ ствешюго авиапиокного технического университета, доктору технических наук, профессору Гусеву Владимиру7 Георгиевичу за помощь н поддержку, оказанную им в процессе выполнения исследования и подготовка диссертации.
ЦшАЬ риоошы и цідачи исследования: разработка новых конструктивно- алгоритмических .методов уменьшения погрешности преобразования магтипсстрикционных преобразователен пере м синения .
Для достижения поставленной цели были поставлены н решены следующие задачи:
Исследованы изнестные принципы уменьшения Погрешности преобразования и улучшение разрешающей способности но перемещению МПП:
Выявлены факторы, препятствующие удовлетворению предъявляемым к МПП требованиям по погрешности преобразования и pa-j perns ни ней способности по перемещению;
Разработаны конструкции первичные МПП с гесто&ой величиной линейного расстояния, позволяющие уменьшить погрешности преобразования оч неносюянсгва скорости распространения ультразвуковой ьо/сньг ВДОЛЬ мдпппострншиопнаго зву копровода и затухания ультразвуковой волны, а также улучшить разрешаю тую способность но перемещению;
Разработан и пролпалюирован алгоритм обработки измерительной информации с первичного МЛП с тестовой величиной линейного расстояния:
Разработаны математические модели зависимости погрешвестн преобразования МПП от внешнего переменного магнитного ноля и перекоса звукопроводо внутри обмотки;
Разработан действующий макет МПП с тестовой величиной линейного расстоянии и акустоэлектрическими преобразователями, конструкция которых содержит компенсационные обмотки.
8 Основные научные результаты, полученные лично а«мор*>м и выносимые на защиту: - Принцип уточнения статической характеристики первичного МГІГТ. основанный на одновременной подаче на вход МПЛ величины, равной сумме измеряемой величины перемещения н тестовой величины линейного расстояния;
Требования к коиструктненым элементам первичных МГШ с тестовой величиной линейного расстояния, а также конструкции этих первичных М[ ІП:
Алгоритм обработки измерительной информации, поступающей с первичного МПЛ с тестовой величиной линейного расстояния на стадних предвари тельной ПОДГОТОВКИ преобразователя н измерении;
Результаты анализа влияния алгоритма обработки измерительной информации с первичного МІШ па характер негики преобразователя;
Математические модели зависимости погрешности преобразования от внешнего переменного магнитного полн, от перекоса лв>копровод<і в обмотке акустоэ*ектрич« кого 11 ресбр<ио нагеля:
Эскизные конструкции обмоток аклсто?лекіричеекиА преобразователей (А')Пі. г:рс;;ігі:Я!і!1!Є!ііікі\ [ля r^n'oiE-i l мр»;:н>іміь:м!! ч sp> с ;г :.i.i.i^is= ультразвуковыми колебаниями. en ос обсіпую шиє более эффективной компенсации сигналов помех, грсбоеапия к ним. Научную новизну имеют: Математические выражения, связывающие статическую Характеристику первичного МІІП и зависимость времени прохождения ультразвуковой волной участков звукоировода протяженностью, раыюй тестовой величине линейного расстояния, от длительности интервала времени задержки ультразв}гковой волны в исрничіюч МПЦ - Математические модели зависимости погречгнскггн преобразования МПЛ от магнитного ноля помечи с учетом геометрически* и электрический параметров обмоток ,\')\ [t 01 перекоса зьукопровода и обмотке.
Практическую ценность риблтм сост/тчннчп:
Оригинальные конструкции первичных МИЛ с гестоиоп цедичшгоЙ линейного расстояния для ультразвуковых волн продольной и крутильной деформации:
Магнитострикциопный преобразователь игречещечия, оригинальность конструкции которого защищена Патентом РФ на изобретение № 2 И1967 от 10.08.2001.
Алгоритм обработки измерительной информации, поступающей с МПП с тестовой величиной линейного расстояния:
Результаты анализа влияния алгоритма обработки измерительной информации, на характеристики МПП: систематическую погрешность, быстродействие, необходимый объем залоМЯНаюшего устроі'гстза:
Эскитные конструкции обмоток ДЭП, предназначенных для работы с продольными и крутильными улырачвукоьыми колебаниями, способствующие боли эффективной компенсации сигналов помел. требования к ним;
Практическая ценность результатов работы подтверждается актами внедрения результатов в учебный процес*: кафедры информационно измерительной техники Уфимского государственного аниациониого технического университета и внедрения
К ЦраКТИЧеСКОГО НСТКК1МОВЛЕШН МП! НИІиеТрИКНИОННОІ О JipttH"p;rKHil перемещения в ТОО 'КПРСА'О". Уфа).
Систематические составляющие погрешности МПП
Погрешность от нспостоянстаа скорости распространения ультразвуковой волны вдоль звуконро&ода Реальное значение скорости уль-фщвукоіюй во. шы при ее распространении вдоль зпуколровода является не постоянной, а некоторой функцией Vy/xJ [б координаты х. Передаточная характеристика ПМГШ с учетом этою и меет вид где Яда - значение координаты _ .. характеризующее положение контролируемого объекта. Нестабильность скорости ультразвука обусловлена внутренними механическими напряжениями и неоднородностью материала зву ко провода, случайными функциями рас пределен ил доменов и другими факторам», Малеевым А.И. предложена индивидуальная градуировка ПМГШ в некоторых точках его передаточной характеркспші [62] и дальнейшей корректировкой измеренного ЗНйЧеШМ Врвмейй іх (или вычисленною значении перемещения _TJ с помощью просмотровой таблицы, либо аппроксимирующего перепагочную характеристику ПМЛП полинома вила Коэффициенты а«.,(т„ находятся методом наименьших квадратов Увеличение порядка полинома ведет к уменьшению погрешности.
Составляющая погрешности от непостоянства скорости ультразвуку рассчитывалась Надсевым А.Іт. как отклонение экспериментального значеним передаточной характеристики t,fx/ от апроксииируюшего полинома в каждой і - ой гочкестатической характеристики МПЇІ При аппроксимации передаточной характеристики МШ1 с а ну копро водом мсі ;л\ мнимсш-інііх" КіліЛрагі-л г, омами различного порядка Надет в ьш ЛИ было получено следующие результаты: систематическая приведенная погрешность МПП, обусловленная непостоянством скорое і и у.п.трігшука по длине энукопровода и диапазоне І 1Я м. не выше 0.2 \% при аппроксимации статической характеристики МПП полиномом первого порядка, не выше 0.014% при аппроксимации полиномом второго порядка и минимальна ( не вадше О,п0$%) при использовании полшюма пятого порядка. Дальнейшее увеличение порядка аппроксимирующего полинома приводит к увеличению погрсЕшюсти. При диапазоне преобразуемого перемещения яд » хцЛх - м\ и нриведсжкій к этому диапазону составляющей погрешности ywyf=0.Q0f$% абсолютное значение этой составляющей равняется
Недостатками уменьшения составляющей погрешности Лск.ю с помощью полинома является большая трудоемкость операции калибровки передаточной характеристики, а также неэффективность способа при возможном изменении распределения У\ {х) в результате механических удэроь ПО зву ко про в оду, локальных изменениях температуры и внешнего магнитного полят изменении нзтчжендя звукопроиода. механической контакте з&у ко провода с другими частями преобразователя. 6) Погрешность от температурной іестабильнссти скорости распространения ультразвуковой ВОЛНЫ. Тем пера гурная нестабильность скорости УЗ воліти также приводит к отклонению передаточной характеристики ПМІ1ГІ от первоначального айда. еоопэетствуюшего нормальному значению температура Влияние температуры на точность преобразования может быть уменьшена применением в качестве материала ззукопровода прецизионных темпера[уростабильных сплавов 42НХТЮ н 44л1ХГЮ 1I8J. Температурный коэффициент задержки таких спла&оа (20 - 40 Е0"& [/С и может быть уменьшен до (t - 3 JО" " /С при соответствующей термообработке (егтягнг с последующим отпуском), однако режим термообработки необходимо подбирать экспериментально. Установлено также, что идя повышения точности МГ1Г1 следует осуществлять подматнчиванне злукояровола полем, создаваемым распределенной по всей длине рабочего участка звукогдеовода евмоткоН ЭАЛ. При подаче дежтаточіш большою зока подмаптичиввнкя в распределенною обмотку уменьшается зависимость модуля упругости материала звукосровода от температуры [103]
Дпн исключении ннииііия іемнераіурм, вносящего погрешность около {0,03-2,5)%Л? может иепольэопаться схема ҐЇМГТЛ логоиет рического преобразования, в которую также вводится дополнительный АЭП 6 (рис 15). неподвижно закрепленный на звукопройоде на расстоянии й DT ЭЛП 4, а В блок обработки информации нводиіея второй уснлитель-форииро&атсль УФ2 н второй преобразователь временных интервалов в код ПВИК2, код на ВЫХОДЕ которого песет информацию о времени распространенна УЗ волны до АЭП 6: где ta = x0/V - вреия распространения УЗ волны до АЭП 6\ Из выражений (1.1) и (J .6) перемещение хко можно определить по формуле в которой скорость УЗ волны F 3 отсутствует Ураксеевым M.A.f Ясовеевым В.Х. и Мукаевым Р.Ю. іїрелложен списоб измерения перемещения [80]. в кагором для компенсации температурной нестабильности скорости уаьтразвуЖЛ «С пользуется зависимость скорости волн от частоты излучаемых колебаний, Т жой способ по сравнению с логометричееким обладает- большим быстродействием, так как в пен отсутствует операция арифметического преобразования. На рис. 1.6 представлена схема устройства, реализующего данный способ. Генератор тока возбуждения ҐТВ периодически возбушдает синусоидальным током с помощью 1)АП 2 продольные УЗ полин.. В АЭП 3 и 4 наводятся импульсы ЭДС С опорном канале S время задержки t!S=c \i зависит только л скорости звука F а и рабочем канале 7 время ЬшХк Ууз зависит от положения АЭП 4. При воздействии дестабилизирующих фактороп премя задержки в опорном канале изменяется, Варьированием несущей частоты /излучаемого сигнала изменяется скорость продольны волн и поддерживается постоянный значение Го-Несущий час 10га импульсов изменяется генератором тока возбуждения, управляемым напряжением с преобразователя время - напряжение ГТВН, на вход котрого поступает интервал времени с Блока вдогхания ВВ. Длительность интервала времени н;і выходе олока кмчіпажія определяло разностью длительностей ишернала времени и, и образцового интервала времени, формируемого с помощью кварцевого генератора КГ. Температурная погрешность снижается до значений (l),U5-!).2)-lt) J % Г С или (0 05-0,2) 0 м / С по абсолютном; значению
Описание работы МПП с тестовой величиной линейного расстояния
Рассмотри и работу магшттосгрикционного преобразователя перемещения с тестовой величиной линейного расстояния с возбуждением крутяьиыа ультразвуковых волн. Структурная схема МЛГІ изображена на рнс. 2.1. Магпитострикц1юп1[ый преобразователь перемещении содержит первичный магннтострикштнный преобразователь I перемещения, ІІОСТОЯШИЙ ИЗ звушпронола 2, выполненного из магнигастрикшгонного материала, первого и второго акустических демпферов 3 и 4, расположенных на противоположных концах звукопповода 2, первого и второго постоянных магнитов 3 и 6, перемешаю ли хея вдоль звукомровода 2, соединенных кинематически с объектом контроля и находящихся друг от друга на фиксированном расстоянии, равном тестовой неличине линейного перенесення, подаваемой на вход магкигоегркжіиимншо креобрачовз ге;гя перемещения, первого и второго акустоолектрическш преобразователей 7 и 8, расположенные на левом и правом концах ВДВОПрООДіа 2 соответственно. микропроцессорную систему 9, одновнбратор 10, геиераюр IE гика возбуждения, первый и второй усилители - формирователи 12 и 13, преобразователь 14 временных интервалов в код. и последовательный интерфейс 15 связи. Во всех режимах работы лїагнїітосфіїкциониого преобразователя перемещения выполняется единый цикл преобразования перемещения во временные интервалы. Временные диаграммы сигналов МПП при выполнении одного цикла преобразования изображены на рис, 2.8, Каждый никл работы начинается в момент irtc формирования импульса на выходе "Старт" микропроцессорной системы (МПС) (рис. 2.8.3
Врсмелные диаграммы никла іфЄ05ризі ваит яерс\іЄЕПЧ- шя яо пре%я нные ігитерна;іи МГІІТ с тестовой величиной лннеШюго расстояния По этому импульсу напряжение однонибратор 10 формирует прямоугольный импульс напряжения (p±ic. 2.8.6) калибройшшой длительности, который поступает на вхпд генератора 11 тока возбуждения (П В). На выходе ITB 11 формируется импульс тока возбуждения той же длительности, который проходит через звукопровод 2 и замыкается на обший провод. Импульс магнитного поля, формирующийся при прохождении импульса тока по звукопроБоду 2V взаимодействуете магпшными полями постоянных чшгнитов S и 6 и а звукопроводе 2 под местом положения тгих магнитов в следствие эффекта Вндемана воэб; льются дао ультразвуковые волны крутильной деформации, которые распространяются влоль звукопровола влево и вправо. Назовем ультразвуковую волну, возбужденную под магнитом S - первой и возбужденную под лгагяитом б - второй. Одновременно по пмттульсу напряжения с выхода "Старт" МПС 9 начинает рабоїт ПВИК 14 и на время, равное деятельности этого импульса напряжения, закрываются информационные вхшы усилителей -формирователей (УФ) 12н 13,
Через интервал времени ,.яГ,4 после ВОЗОУНЕДСЫНЯ і V„(x) ультразвуковых волн. гделло - измеряемое значение координати положения объекта контроля. Г/ - задержка распространения: сигнала в llftpftOM усилителе формирователе 12, первая УЗ волна достигает ЛЭП 7 и в его обмотке наводится первый нмпупм ЭДС {pug. 2.8, в), которые преобразуется перзылг \тит«теяем формирователем (УФ; 12 в прямоугольный импульс напряжения (рис, 2 8, г) цифрового уровня. Этот импульс Поступает на вход "Стоп Iм ПВИ"К 4. Через некоторое время, которое зависит от используемого в ГШИК 14 метода измерения временных интервалов на п - разрядной шине ПЙІ1К пояп/шетен цифровой код (рис. 2..ж) результата преобразования длтздьіюсти потерпала времени iXi\ Dfv. - Е \лсЕ( ) - целая часть выражения. tf- - разрешающая способность І IB И К по времени, а на выходе "Готовность кода ПШІК 14 а момент времени :, формируется: прямоугольный импульс напряжения (рис. 2.8,з). Но этому импульсу напряжения МПС 9 считывает код Л\,. 7г dx Через интервал времени /ґ? = г, + J после возбуждения ультразвуковых волн, вторая УЗ волна достигает АЭП 7 и в его обмотке наводится второй импульс ЭДС (рнс. 2.3,в): который преобразуется первым УФ 13 в прямоугольный импульс напряжения (рнс. 2.8,0 цифрового уровня. Этот импульс поступает на вход %іСтоп 1" ПВИК 14. Через некоторое время на п - разрядной шине М? [ШИК 14 появляется цифровой код NSf=E\—\ (рис. 2.Я,ж) результата преобразования длительности интервала времени /#& а на выходе "Готовность кода" ПВИК 14 в момент времени г: формируется прямоугольный импульс напряжения (рис. 2.8,з). По этому импульсу напряжения МПС 9 считывает код AY, Через интервал времени ..-г7 + I после воэоуждения ,м«г Уп{х) ультразвуковых волн, где г? - задержка распространения сигнала в усилителе -формирователе 13, вторая1 УЗ волна достигает АЭП S н в его обмотке наводіггся импульс ЭДС (рнс. 2.8. д). который преобразуется вторым УФ 13 п прямоугольный импульс напряжения (рис. 2.8.е) цифровою уровня. Этот импульс поступает на вход Стоп 2" ПВИК 14. Через некоторое время па п - разрядкой шине ПВИК 14 появляегся Цифровой код NXi = E — (рис 2Хж} результата преобразования длительности интервала времени їда, а на выходе "Готовность кола" ПВИК 14 в момент времени 1} формируется прямоугольный нмлульс напряжения (рис. 2.8л). По этому импульсу напряжения МПС 9 считывает код гУду. Через интервал времени /w = rh+ J . после возбуждения ультразвуковых волн, первая УЗ волна достигает АЭП 8. в обмотке коюрого наводится импульс ЭДС (рве. 2.8, л), который преобразуется вторым УФ ІЗ в прямоугольный импульс напряжения (рис, 2.8.о) цифрового уровня. Этот импульс поступает на вход "Стол 2" ПВИК 14г Через некоторое epestfl на п - разрядной шине ПВИК 14 появляется цифровой код Nxt E\ L1\ (рис. 2.8;ж) результата преобразования длительности интервала времени і\ , на выходе Готовность кода ГШИК И ъ момсш времени і, формируется прямоугольный импульс напряжения (рис. 2.8.з). По этому импульсу напряжения МПС 9 считывает код Afo. При дальнейшем распространении ультразвуковые волны достигают первого и второго акустически демпферов 3 и 4 и рассеиваются на них, На этом цикл работы устройства заканчивается.
Минимальное значение кода N t определяется минимальным значением длительности интервала времени Гд/, равным времени fj , на которое акрынаетея сигнальный вход первого УФ 12 при возбуждении УЗ водны: № Ї/Л/Гш —Щ — . Аналогично минимальное значение кода N опредепяется теи же времени t? и равняется /V ..... — Е\ — I. Принимается, что минимальное значения кола Л\/ VCTOBHO равняется №Хііт =Щ " і где tXii№X = г,т а минимальное значение кода Уи условно рави яется tfxum - Щ , где tMi41ft = г,. Если первый постоянный магнит 5 попАДОЄї в зону нечуветвитеяьносіи первого ЛЭП . т.е. интервал времени, за который ультразвуковая волна проходит от первого постоянного магнита 5 до первого АЭП 7 меньше чем время, на которое закрывается сигнальный вход первого УФ 12 при возбуждении УЗ волны, то значения кода Л\/, при положении магнита 5 и лоне нечунстциге ьмосгм Л Л I 7 определяются с помощью значений кодов А/д по выражению yv,( = №l-Wil н -Л\._,, где №&шг} -сумма любых значений кодов NIf и Nj полученных в ОДНОМ цикле дреобразчзвания при положении магнита Ь вне зоны нечувствительное і л А1П 7. Псе значения кода fcfo обозначаются в виде Л\., = NXiiia +(i-f), где і -целое положительное число. Значення кодов NX\\ JVYJ и ,Vrj. полученные в том же цикле работы, что и кодЛ Лі.. обозначаются соотве гствешю Л г.» ЭДг,я и $№ Время распространения ультразвуковой волны вдоль участков ївукоправсда между точкой нижнего предела г д диапазона преобразования и АЭП 7, а также между точкой верхнего предела ,щд- » АЭП 8, являющихся зонами нечувствительности ПМПП, из-за возможного изменения распределения Уу$х$ может отличаться QT значений., полученных при первичной калибровке. Уточнить эти значения с помощью тестового расстояния хт невозможно. Погрешность от непостоянства скорости ультразвуковой волны имеет свойство накопления С увеличением протяженности рассматриваемого участка звукопровода. Поэтому следует доживаться минимальных гтро/гяженностей зон нечу/всгвительностеЙ, которые зависят от конструктивных размеров магнитов 5 и 6 В АЭП 7 и 8. Протяженность зоны нечувствительности ПМПП может оказаться меньше чем протяженность зоны нечувствительности акустозлектрнческнк перобразователей, которую примерно можно оценить по выражению
Влияние алгоритма обработки информации из быстродействие мпініпйстрикіцюжіога преобрл'їопятеля необходимый объем запоминающего іоройетвл
Во время выполнения процедуры первичной подготовки необходимо перемешать подвижный элемент из точки нижнего предела диапазона преобразования о точку верхнего предела. Нсош скорости перемещение Уну подвижного элемента будет больше, чем некоторое максимальное предельное значение Vp 1/ity. то а время. в течении которого микропроцессорное устройство успеет обработать полученную информацию и подготовиться к выполнению следующего цикла преобразования, значение кода N,j может уже перескочить через следующий диапазон, Предельное значение Уюмлх скорости может являться одним из технических условий на проведение процедуры первичной подготовки МПП с тестовой величиной линейного перемещения. В режиме измерения от быстродействии преобразователя зависит количество еыборок измеряемою перемещения в единицу времени, а также динамическая составляющая погрешности преобразования.
Для оценки предельною значения скорости перемещения подвижного элемента, ч также быстродействия преобразФватвдя в режиме измерения, необходимо знать ьремя иегюлнения встроенною программного обеспечения, обслужи иаюшей первичною калибровку, На рис. 3.5 приведен возможный алгоритм проведения процедуры первичной калибровки, а на рис З.б - возможный алгоритм составления математической модели распределения скорости ультразвука и вычисления результата преобразования. языке ассемблера для микроконтроллера 8XC1%NP производства фирмы fntel, США, Основные характеристики этого микроконтроллера следующие [251: тактовая чистота работы - ло 20 МГц: разрядность обрабатываемых данных - 16; используемое адресное пространство - \}А\ наличие четырех параллельных и одного. последовательного порта ввода - вывода; наличие в наборе инструкций команд умножения и деления. Листинг программ и количеством тактов, необходимых для выполнения каждой инструкции, приведен в приложении 3. Количество тактов микропроцессора, необходимых для одного выполнения цикла, обозначенного на рис. 3.5 пунктирной линией, по разработанной программе составляет ЛТюдг 6544, а время, та которое один раз выполняется никл зависит также и от тактовой частоты у АТ=20МГц. Это время равняется ввдг —— -= 32?2 мне. Средняя длительность одного поддиапазона времени гЛ7 [рафики зависимости времени t ,, от основных параметров К « х7 при различны к значениях }Р (с учетом выражений (3.1) и (3.17)) представлены иа рис. 3.8 - 3.10, а на рис. 3.11 изображен график зависимости времени ttn.»i от парамстроа Кк tp (с учетом выражения (3.1)}. Уменьшение значення параметри К приводит к увеличению члена я, поддиапазонов значения кола Л Л;, уменьшению нк протяженности, чем и вызвано одновременное возрастание времени выполнения процедуры измерения как но полному + так и по укороченному алгоритму. Такое же влияние на время работы процедуры оказывает л уменьшение разрешающей способности t? по времени,
Увеличение времени при применении тестовой величины xj больших значений объясняется возрастанием количества пг выборок средней скорости VVir ПІ которым вычисляется скорость ультразвуковой волны в предела одного поддиапазона значений кода №j/. Дія оценки быстродействия МПП по известным параметрам К, і? и xj или определения значения одного из параметров А". t? или xf по заданным даум остальным параметрам и условию на техническое задание - времени tmXa или ітмі- следует, исходя из структурной схемы Mlint типа микропроцессорного устройства и его программного обеспечения, выявить аналогичные зависимости, связывающие названные параметры.
Объем запоминающего устройства, который потребуется для хранения математической модели распределении скорости Vy?{txK является параметром. который необходимо оценить при проектировании блока обработки информации мппіитсорикцноїшьк преобразователей перемещения с тестовой величиной линейного расстояния. Основная часть объема запоминающего устройства, занятого математической моделью, будет предназначено для хранения массива значений кодов N7f. .массива значений средних скоростей Vr.p , массива значений скоростей V и массива значений т координаты положений контролируемого объекта, сошвеїствующих верхним прелелам NjgipxH поддиапазонов значений кода Njg. Количество элементов tij каждого массива равняется числу и, поддиапазонов, й примерное значение этого параметра можно получить ло выражению { Ь"»я А / Объем тапомииаюшего устройства в битах, необходимый для хранения всех вышегсЕречисленных массивов, можно оценить no выражению Vxx Eij-j . -j k} і ftj Vkt j. (3.22) где kj, kj, kj it Jtj - количество битов, необходимым для хранения значения одного эленевтв массивов Щ, VV)lt У и щ соответственно, » і - коэффициент запаса, учитывающий возможное увеличение реального значения Яд из-за непостоянства скорости ультразвука. Влияние параметров tt и К на значение я, иллюсірирует ітіаірик иа рік.
Статическая характерне гика макетного магнигостримщуиного преобразователя перемещения
Калибровка макетного МПП необходима дія оценки систематической погрешности преобразования перемещения/. Калибровка МПП проведень; в восьми точках начиная рт Xj-250 .мм (показании по штангенциркулю) да х —600 мм с шагом 50 им. Выходным измеряемым параметром МПГТ являлся интервал кремени }х распространения ультразвуковой водлы от ЭАП 5 до АЭП 6- Для уменьшения случайной состаеляюшеП погрешности измерения калибровка повторялась ІУ раз по всему диапазону поочередно с подходом к промежуточным ючкам снизу л сверлу, а при каждом позиционировании производилось 20 наблюдений. Таким образом, для каждой промежуточной точки диапазона преобразования было по;гучено 400 результатов наблюдения.
Для представления результатов наблюдения а единицах времени предварительно была определена разрешающая способность измерения временных иитерЕіллов персональным комиьюіером. ft качестве обрд-jtiOEioio срелегьд измерения длительности временных интервалов использовался цифровое частотомер типа 43-34. По результатам совместных измерений с помощью компьютера и частотомера было установлено, что разрешающая способность тмеренкя времени с помощью компьютера составляет t,,=3 79»c. В таблице ГЕ6.І приложения 6 приведены статистические параметры, по.чучеиные после обработки результатов измерения:.
Время задержки улыразвукоион иолиы при движении снизу вверх определялось как среднее арифметическое результатов ЕіаблЕодецид /Л7;, тголученны.х при движении снизу: где i=l...ft - номер промежуточной точки, j - номер результата наблюдения, пц -количество результатов наблюдения для /-и точки при приближении к ней снизу, Аналогично по результатам наблюдения /ЇЛ, при движении сверху ениз определялось їкачечие времени задержки у.іьіраівукоеуй волны є камсдой точке при Гіриближении сверху: где ПІІ - количество наблюдений для /-й точки при приближении сверху. Среднее
Значение Вр4МЄОД ЗДЕКДОКИ ь г-П ПрОМЄЖУТОЧНОЙ ТОЧКЄ равняете ,, = Ш . (5.4, Вариация результата измерения в каждой і-й промежуточной точке равняется [38] 4.-I КО результата измерения для чаждоіі f-Й промежуточной точки оценинается по выражению , " (5.6, rt/rr, -1; где J7, = IT,, + пл - общее количество результатов наблюдения для і -й точки. При определении абсолютной и приведенной систематической погрешности рассматривалось отклонение статической характеристики, аппроксимированной прямой линией., от статической характеристики. полученной в результате калибровки, Зависимости вариации, СКО и систематической абсолютной погрешности от координаты v. покачаны на pirc. 7, 5.8 зі .о Максимальные значения вариации и СКО соответегоеиио составляют 735.06 не, іЯ.41 не или 3 67мм и 9205мм в единицах нходнок неличіши Максимальное no MM абсолютной величине значение абсолютной систематической погрешности составляет ] .28 мм. Рис. 5-7 Зависимость вариации результатов измерения от коордиегаты положения Рис 5.8 Зависимость СКО результатов измерения от координаты положения tit. ми Рис. 5.0 Зависимость абсолютной систематической погрешности от координаты положения 102 5.3 Исследование акустоэлектрическия преобразователей с компенсационными обмотками Дія експериментального определения эффективности уменьшения случайной погрешности от искажения формы сигнала акустозлектрического преобразователи при воздействии помех ь конструкции макетного МПП была предусмотрена возможность дополнительно к обмотке любого акустоэлектрического преобразователя устанавливать компенсационные обмотки. Все обмотки имеют одинаковую конструкцию и располагаются на каркасам, склеенных из текстолита. Поперечное сечение каркасов в месте намитки провода имеет прямоуголыгую форму и размеры 4x8 мм. Для намотки был Использован медный провод диаметром 0.1 мм. Каждая обмотка имеет 200 намотанных "а навал" витков. Длина каждой обметки по направлению распространения ультразвуковой волны составляет 2.5 мм. Эффективность уменьшения погрешности осуществлялась путем сопоставления случайной погрешности измерения времени распространения ультразвуковой в лны для двух случаев: когда конструкция АЭП содержит одну обмотку и когда в конструкцию АЭП введена компенсационная обмотка Измерение интервала времени осуществлялось с помощью цифрового частотомера чипа 43-34. Измерялась длительность интервала времени между моментами формирования сигналов ИмпГ и "ИняЗ", которая определяется временем однократного распространения ультразвуковой волны. Для каждого варианта конструкции АЭП было снято 50 результатов наблюдений, выборки которых приведены в іаблице ["17.1 приложения 7, СКО результата измерения в каждом случае оценивалось но выражскшо [ 7 C„=J - Г—- (5.7, tu где jjH - fi результат наблюдения в i-u варианте эксперимента; tXi = - сроднее арифметическое результатов наблюдения a f-м варианте эксперимента; і - номер 103 варианта эксперимента, i-l при конструкции АЭП с одной обмоткой и ї 2 при конструкции АЭП с двумя обмотками;/ = 1..п - номер результата наблюдения; п = 50 - количество результатов абзодстш & обоих вариантах: эксперимента. Для вариантов с одной обмоткой и с двум обмотками значения СКО составили соответственно (7, , =7.69wc и 7, з = 1.45нс В ссспветствии с [37] доверительная граница случайной погрешности без учета знака равняется V («) где I - коэффициент Стьюдента. который при доверитель ной вероятности Рд—0.95 и числе результатов наблюдения л=ЗЙ равняется t=i.96. Границы случайной погрешности дія вариантов эксперимента с одной и с двумя обметками равняются Atmtl = 1%-7.69нс = 15 07нс; df j = Ї.96-Г45ис = 2.84нс Для приведения погрешности к величине перемещения, необходимо умножить эти значения на номинальное значение скорости распространения продольных ультразвуковых волн Ууз=5000мґс: daIrilM ч 15.07нс -5000 /c - 75.35.wfcw; ЛГлви- 2.S4W 5000JW/C = 14.20uncw . По выражению Н.-" найдем іначснис гсоффииисшп фсн;кт ияіюс і и АЭП с тщмя обмоік.шн 4Y« I 75,35. KW e 5 JQ6 Выводы по пятой rjraae 1. При калибровке макетного МПП было установлено, что максимальные значения вариации. и СКО результатов измерения времени распространения ультразвуковой волны соответственно составляют 735. Ов не и ІЙ.41 не. Максимальное по абсолютной величине значение абсолютной систематической погрешности макетного преобразователя составляет 1.28 им. 2. При -экс пери медальном исследовании акустоэлектрического преобразователя с компенсационными обмотками было установлено, что коэффициент эффективности уменьшения случайной погрешности. ВЫЗЫНИОЙ воздействием помех, равняется Кзлэп=5.30б а величина случайной погрешности при применении компенсационных обмоток равняется Ах!Юм= 14.20 мкм. 105 Основные результаты н выводы В настоящей диссертации приведены результаты исследований автора, направленных на поиск новых возможностей повышения ТОЧНОСТИ преобразования и разрешающей способное! и по перемещению магнитострикционяілх преобразователей- Б итоге предложен новый принцип построения высокоточных МПЛ с тестовой величины линейного расстояния, исследована влияние электрических и гсомегрических параметров обмоток а кусгоэяектри ческюс преобразователей м иоірсшность преобразования МГЕГІ. Основные результаты и выводы диссертации следующие; 1. Разработан н лселедовэн новый принцип уменьшения систематической погрешности преобразования машитсетрикционных гфеобразонагелей перемещения, осио&аниын на полаче на вход преобразователя суммы измеряемой величины перемещения її тестовой величины линейного расстояния: разработан и исследован алгоритм обработки измеризелъноЙ информации, поступающей" с первичного магнитостршщиоиного преобразователя перемещения с тестовой величиной линейного раесгояния. 2. Значение систематической погрешности чагннтострикцнонного преобразователя перемещения с тестовой величиной линейного расстояния ие превышает 0.001% при разрешающей сгтссобно тн измерения времени шержки улі.грл тлу ковок волны не хуже 2 ис значенії и тесгоной неличпны линейною расстояния не более 0,01 м.
