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.
- Изменяя расстояние между датчиком и поверхностью, находим положение датчика, при котором напряжение на выходе датчика будет максимальным.
- 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.
Расстояние до x max, мкм |
Показания вольтметра, В |
Разность соседних показаний, В |
0 |
||
-300 |
||
-600 |
||
-900 |
||
-1200 |
||
-1500 |
||
-1800 |
Дальнейшие измерения расстояния будут вестись относительно точки х 0 , соответствующей напряжению ( + )/2 = В
- Находим напряжение в 10 точках, в две стороны от х 0 с шагом 100 мкм. Измерение в каждой точке производится 6 раз.
Результаты измерений и средние значения |
|||||||
x, мкм |
U, B |
Uср, В |
|||||
-500 |
0,24 |
0,24 |
0,24 |
0,24 |
0,24 |
0,24 |
0,24 |
-400 |
0,38 |
0,37 |
0,37 |
0,36 |
0,37 |
0,37 |
0,37 |
-300 |
0,56 |
0,56 |
0,56 |
0,55 |
0,56 |
0,56 |
0,558333 |
-200 |
0,8 |
0,79 |
0,79 |
0,78 |
0,79 |
0,79 |
0,79 |
-100 |
1,06 |
1,04 |
1,05 |
1,04 |
1,05 |
1,05 |
1,048333 |
0 |
1,36 |
1,36 |
1,34 |
1,33 |
1,34 |
1,34 |
1,345 |
100 |
1,64 |
1,72 |
1,68 |
1,62 |
1,62 |
1,63 |
1,651667 |
200 |
2 |
2,01 |
2 |
1,9 |
1,9 |
1,95 |
1,96 |
300 |
2,25 |
2,3 |
2,26 |
2,2 |
2,19 |
2,2 |
2,233333 |
400 |
2,5 |
2,55 |
2,52 |
2,47 |
2,45 |
2,46 |
2,491667 |
500 |
2,77 |
2,74 |
2,73 |
2,66 |
2,66 |
2,69 |
2,708333 |
- Для каждого расстояния находим среднеквадратическое отклонение, относительную погрешность и доверительный интервал.
Расчет погрешностей |
|||
x, мкм |
Среднеквадр. отклонение |
Относительная погрешность |
Доверительный интервал |
-500 |
0 |
0,00% |
0,000000 |
-400 |
0,006324555 |
1,71% |
0,016444 |
-300 |
0,004082483 |
0,73% |
0,010614 |
-200 |
0,006324555 |
0,80% |
0,016444 |
-100 |
0,007527727 |
0,72% |
0,019572 |
0 |
0,012247449 |
0,91% |
0,031843 |
100 |
0,040207794 |
2,43% |
0,104540 |
200 |
0,050990195 |
2,60% |
0,132575 |
300 |
0,043665394 |
1,96% |
0,113530 |
400 |
0,038686776 |
1,55% |
0,100586 |
500 |
0,045350487 |
1,67% |
0,117911 |
- 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;
Dõ i - ïðèðàùåíèå âõîäíîãî ïàðàìåòðà (Dõ 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.
x, мкм |
Тип поверхности |
|
|
|
|
|
отражающая |
белая |
черная |
текстолит |
0 |
0,37 |
0,53 |
0,048 |
0,35 |
200 |
0,43 |
0,65 |
0,127 |
0,35 |
400 |
0,47 |
0,82 |
0,145 |
0,355 |
600 |
0,575 |
1,02 |
0,173 |
0,36 |
800 |
0,7 |
1,24 |
0,187 |
0,365 |
1000 |
0,89 |
1,44 |
0,2 |
0,372 |
1200 |
1,245 |
1,66 |
0,203 |
0,38 |
1400 |
1,62 |
1,8 |
0,21 |
0,38 |
1600 |
1,9 |
1,87 |
0,21 |
0,38 |
1800 |
2,15 |
1,93 |
0,205 |
0,385 |
2000 |
2,4 |
1,95 |
0,2 |
0,38 |
2200 |
2,5 |
1,94 |
0,19 |
0,375 |
2400 |
2,48 |
1,93 |
0,18 |
0,37 |
2600 |
2,47 |
1,92 |
|
|
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.
