Основы метрологии и измерительной техники

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.

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.

Государственный комитет РФ по высшему образованию

Московский государственный институт электроники и математики

Кафедра ЭВА

Лабораторная работа

по курсу "Метрология и измерительная техника"

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

Выполнили студенты группы С-45

Голышевский А.

Костарев В.

Куприянов Ю.

Сапунов Г.

Преподаватель

Зак Е.А.

Москва 1998

Цель работы: Освоение методик определения основных метрологических и эксплуатационных характеристик первичных измерительных преобразователей информации на примере бесконтактного волоконно-оптического датчика перемещений.

Используемое оборудование: волоконно-оптический датчик перемещения, специальный штатив с возможностью контроля перемещений, цифровой вольтметр, микрометрический винт, четыре различных типа поверхности.

Алгоритм получения результатов.

Волоконно-оптический датчик подключают к цифровому вольтметру.

Часть 1. Нахождение функции преобразования.

1. Изменяя расстояние между датчиком и поверхностью, находим положение датчика, при котором напряжение на выходе датчика будет максимальным.
2. Находим точку перегиба функции преобразования. Для этого измеряем напряжение в нескольких точках при x<x _max , находим, на каком интервале самое большое изменение показаний вольтметра. Точка перегиба - внутри этого интервала.

3. Находим напряжение в 10 точках, в две стороны от х ₀ с шагом 100 мкм. Измерение в каждой точке производится 6 раз.

4. Для каждого расстояния находим среднеквадратическое отклонение, относительную погрешность и доверительный интервал.

5. По средним значениям напряжения и с учетом доверительного интервала строим график функции преобразования датчика:

График можно аппроксимировать кубическим полиномом

,где коэффициенты определяются по формулам:

ãäå:

j= 0,1... - íîìåð ýêñïåðèìåíòàëüíîé òî÷êè ôóíêöèè ïðåîáðàçîâàíèÿ;

n - ÷èñëî ïîëó÷åííûõ çíà÷åíèé ôóíêöèè ïðåîáðàçîâàíèÿ (n=11);

A _j - îòêëèê ÂÎÄ ïðè j-îì çíà÷åíèè âõîäíîãî ïàðàìåòðà;

D õ _i - ïðèðàùåíèå âõîäíîãî ïàðàìåòðà ( D õ _i =0,1 ìì).

Часть 2. Исследование влияния условий (типа поверхности) на функцию преобразования.

Измерения производятся для четырех типов поверхности: белая бумага, черная бумага и текстолит с двух сторон. Измеряем напряжение на выходе датчика в точках от x=0 до значения, при котором напряжение будет максимальным, с шагом 200 мкм.

Часть 3. Выводы.

Ðàáîòà âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî äàò÷èêà çàâèñèò îò ñîñòîÿíèÿ ïîâåðõíîñòè ðàáî÷åé ïëàñòèíû, åå êîýôôèöèåíòà îòðàæåíèÿ è ñòåïåíè ðàññåèâàíèÿ ñâåòà ïðè îòðàæåíèè îò ïîâåðõíîñòè. Ôóíêöèÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ äàò÷èêà èíäèâèäóàëüíà äëÿ êàæäîãî ñî÷åòàíèÿ äàò÷èê — ïîâåðõíîñòü. Ðàçìåð (äëèíà) ðàáî÷åãî ó÷àñòêà õàðàêòåðèñòèêè îïðåäåëÿåòñÿ ðàññåèâàíèåì ñâåòà îò ïîâåðõíîñòè, à óãîë íàêëîíà — êîýôôèöèåíòîì îòðàæåíèÿ ñâåòà. Äàò÷èê õàðàêòåðèçóåòñÿ ïîëíûì îòñóòñòâèåì âëèÿíèÿ íà îáúåêò.

Ïîãðåøíîñòü (àáñîëþòíàÿ) ìèêðîìåòðà ïðè èçìåðåíèÿõ ñîñòàâëÿëà 5 ìêì. À ïîãðåøíîñòü âîëüòìåòðà — âî âòîðîì çíàêå ïîñëå çàïÿòîé, òî åñòü ïðè èçìåðåíèÿõ ñ ìåòàëëè÷åñêîé ïëàñòèíîé îíà ñîñòàâèëà äî 0,05 Âîëüòà. Âîëüòìåòð îáëàäàåò òðåìÿ ñ ïîëîâèíîé ðàçðÿäàìè, íî ñëó÷àéíàÿ ïîãðåøíîñòü èç-çà íåïðåðûâíîãî èçìåíåíèÿ ïîêàçàíèé â äàííîì ñëó÷àå îêàçàëàñü âûøå.