Исследование функций преобразования и метрологических характеристик бесконтактных волоконно-оптических датчиков перемещений

                                         МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РФ
          МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И

                                                            МАТЕМАТИКИ



                                      МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
 к  лабораторным работам  по курсу 'Основы метрологии  и измерительной
техники'.



  Факультет автоматики и

   вычислительной техники

   Кафедра 'Электронно-


    вычислительная аппаратура



                                                         Москва - 1998



               Изучение и исследование средств измерений электрических и
неэлектрических величин.

               Методические указания  к лабораторным работам являются
составной частью программы по дисциплине  'Основы метрологии и
измерительной техники ' , изучаемой студентами 2-го курса специальности
2101 - ЭВМ. системы , комплексы и сети.


             Лабораторные работы выполняются в объеме 18 часов.

              Основным содержанием лабораторных работ является  получение
практических навыков работы с современными измерительными приборами,
изучение методик  определения основных метрологических характеристик
измерительных преобразователей и построение алгоритмов практического
применения преобразователей в системах с электронно-вычислительной
аппаратурой.



Часть 2-3. Исследование функций преобразования и метрологических
характеристик бесконтактных волоконно- оптических датчиков перемещений.

1.Цель работы, ее краткое содержание.

              Целью данной работы является освоение методик определения
основных метрологических и эксплуатационных характеристик первичных
измерительных преобразователей информации на примере бесконтактного
волоконно- оптического датчика перемещений , а также разработка алгоритма
адаптации в системы ,содержащие средства вычислительной техники.

2.Теоретические сведения.
              Исследуемый в лабораторной работе бесконтактный волоконно-
оптический преобразователь перемещений представляет собой систему состоящую
из  источника излучения  ,примо- предающего волоконно- оптического канала и
фотоприемника. Здесь поток излучения  от источника 1 вводится в предающий
световод  2 и на его выходе формируется расходящийся поток излучения в виде
конуса, ограниченного апертурой оптических волокон. При падении потока на
поверхность объекта  часть его отражается и попадает в приемный световод 3
,проходит по нему в фотоприемник 4, где преобразуется в электрический
сигнал. Если изменять расстояние  между торцом приемо- предающего световода
от нуля , то премещение и выходной ток фотоприемника связаны зависимостью ,
показанной на рисунке 2.



Рис.1 Схема  волконно-оптического             Рис2  Типичная зависимость

            датчика.

          Зависимость имеет восходящий участок, обусловленный увеличением
потока, попадающего в приемный световод, участок максимума ,где наступает
равновесие между потоком, входящим в приемный канал и выходящим за его
пределы и падающий участок , где преобладает поток ,выходящий за границу
приемного световода.
            На характеристике видны  два квазилинейных участка из которых
могут быть сформированы функции преобразования ВОД , являющиеся основной
метрологической  характеристикой. Наиболее часто для преобразования
перемещения в электрический сигнал используется восходящий участок ,  гду
крутизна существенно больше.

             Преобразователи такого типа , получившие применение для
бесконтактного преобразования перемещений в электрический сигнал в сложных
условиях окружающей среды , имеют индивидуальные  функции преобразования и
для каждого экземпляра определяются отдельно.
              Функция преобразования на восходящем участке   с достаточной
степенью точности можно апроксимировать полиномом третьей степени:

Коэффициенты определяются из соотношений:


А = ------------------------------------------------------------------------
---



А = ------------------------------------------------------------------------
----------



А = ------------------------------------------------------------------------
--------------



А =-------------------------------------------------------------------------
---------------


----------------------------------------------------------------------------
------------

где-   = 0,1... - номер  экспериментальной точки функции преобразования;
 - число полученных значений функции преобразования ;
А  -отклик ВОД при    - ом  значении входного параметра;
 х - приращение входного параметра.
       Положение начальной установки датчика относительно отражающей
поверхности  определяется  точкой перегиба  функции              .
              3. Оборудование лабораторного стенда
        При проведении экспериментальных исследований в данной работе
используется следующее оборудование:
осциллограф, цифровой вольтметр, специальный штатив с возможностью контроля
перемещений ,волоконно-оптический датчик.
        Питание волоконно-оптического датчика осуществляется от
централизованного источника питания.
                 4. Методика проведения работы.
1. Изучить описание проведения лабораторной работы.
2. Подготовить измерительную установку к работе. Для этого необходимо:
включить питание датчика,
включить измерительные приборы и дать им прогреться в течении   15 мин.;
установить терец световода над исследуемым участком отражающей поверхности;
подключить выход ВОД ко входу цифрового  вольтметра.
3. Снять и построить функцию преобразования ВОД . Для этого необходимо:
-отвести общий торец световода с помощью микрометричекой пары до положения,
когда на вольтметре появится максимальное значение напряжения:
-подводя общий торец световода  к отражающей поверхности через каждые 500
мкм зафиксировать и записать значения показаний вольтметра;
-определить примерное положение точки перегиба функции преобразования как

-установить преобразователь в положение соответствующее этой точке по
показанию вольтметра;
-отводя датчик вверх и  вниз от точки перегиба снять показания вольтметра
через каждые 500 мкм;
-повторить эти действия 10 раз, данные занести в таблицу.
4. По данным экспериментального исследования построить функцию
преобразования по средним значениям экспериментальных точек.
5. По этим же данным определить:
-максимальное значение доверительного интервала для Р=0,95 ,используя
таблицы Стьюдента:
-гистограмму распределения погрешностей.
6.Построить алгоритм и вычислить коэффициенты апроксимирующего полинома.
7. Провести исследование влияния одного из дестабилизирующих факторов по
указанию преподавателя.
                 5. Требование к отчету по выполненной работе.
В отчет по лабораторной работе необходимо включить:
1. Цель работы.
2. Структурную схему определения параметров ВОД.
3. Протоколы измерений.
4. Графические зависимости.
5. Алгоритм расчета и величины коэффициентов апроксимирующей функции.