Измерительные преобразователи с пространственной разверткой оптического излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАЗВЕРТКОЙ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

О.Г. Корганова, В.А. Кузнецов Корганова Ольга Георгиевна - кандидат технических наук, доцент.

Кузнецов Владимир Андреевич - кандидат технических наук, доцент.

Самарский государственный технический университет,

443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Рассматриваются принципы построения новых типов оптоэлектронных преобразователей с пространственной разверткой оптического излучения. Эта развертка создается газоразрядными или светодиодными аналоговыми или дискретными индикаторами. Разработанные преобразователи обладают широкими функциональными возможностями при измерении параметров движения.

Ключевые слова: Измерительное преобразование. Перемещение. Линейные размеры. Оптоэлектроника. Функциональное преобразование.

оптоэлектронный преобразователь развертка оптический

В промышленности большую долю измерений составляют измерения пространственных величин, таких как размеры, перемещения, а также приводимых к ним с помощью первичных измерительных преобразователей других величин, например, уровней жидкости, давлений, сил, вибраций.

В ряде случаев в процессе измерения возникает необходимость функционального преобразования измерительной информации. Например, при измерении объема жидкости в цистернах сложной формы поплавковым методом необходимо учитывать функциональный характер зависимости объема от уровня жидкости.

Существующие измерительные преобразователи пространственного кодирования на основе кодирующих масок имеют невысокую точность и ограниченные функциональные возможности, а растровые оптические преобразователи осуществляют только линейные преобразования.

На кафедре «Информационно-измерительная техника» СамГТУ разработан новый тип оптоэлектронных преобразователей с пространственной разверткой оптического излучения.

Отличительная особенность этих преобразователей заключается в том, что пространственная развертка оптического сигнала создается или напряжением в аналоговых преобразователях, или кодом в цифровых преобразователях, что позволяет сравнительно легко одновременно осуществлять и функциональное преобразование измерительного сигнала.

Кроме того, преобразователи работают в динамическом режиме с периодическим повторением пространственной развертки оптического сигнала, что равносильно проведению многократных измерений. Известно, что усреднение результатов многократных измерений является мощным методом коррекции случайных погрешностей.

Предположим, что объем жидкости определяется поплавковым методом в конусном, линейно расширяющемся кверху сосуде. В этом случае объем жидкости рассчитывается по формуле:

V=K₁h²,

где K₁ - коэффициент, учитывающий поперечные размеры сосуда;

h - положение поплавка.

Для определения положения поплавка применяется пространственная развертка оптического сигнала l(t) в функции времени.

Для получения линейной шкалы по времени развертки необходимо выполнить условие h=l(t), отсюда l²=K₂t, где t - время развертки.

Линейные перемещения оптического сигнала определяется выражением .

Интервал времени t заполняется импульсами образцовой частоты f₀ , которые выступают в счетчик импульсов.

Количество импульсов N=f₀t, отсюда ,

а результат измерения объема жидкости .

Цена одного импульса

.

Таким образом, для данного сосуда при функциональной развертке оптического сигнала l²=K₂t или обеспечивается линейная равномерная шкала отсчетного устройства.

Дискретность измерения можно варьировать, изменяя коэффициент К₂ функционального устройства или образцовую частоту f₀ генератора.

Погрешность измерения объема жидкости

,

где - погрешность от дискретности измерения:

.

При многократной развертке оптического сигнала и усреднении числа импульсов отсчетным устройством получим

,

где Ni - результат i-того измерения; - случайная погрешность; n - число разверток оптического сигнала.

При больших значениях n

.

При десятикратной развертке оптического сигнала усреднение достигается простым исключением показаний младшего разряда счетчика импульсов.

Для коррекции систематической погрешности на заданном уровне l₀ устанавливается контрольный фотоприемник.

Образцовое число контрольных импульсов, соответствующее этому уровню, составляет величину

.

Если при измерениях NN₀ , то оценивается погрешность измерения

.

При больших значениях эта погрешность корректируется изменением образцовой частоты f₀ генератора заполняющих импульсов.

Современные оптоэлектронные приборы позволяют создавать как аналоговую, так и дискретную развертку оптического излучения в пространстве. Если это излучение воспринимается фотоприемником, перемещающимся в поле излучения, то появляется возможность создания различных измерительных преобразователей параметров движения, таких как перемещение, скорость, ускорение, вибрации, в электрическую величину, временной интервал или частотный сигнал. При этом, изменяя характер развертки оптического излучения, можно задавать любую функциональную зависимость выходного сигнала от измеряемой величины, а с помощью волоконных светодиодов поле излучения может быть представлено в любой системе координат.

При построении оптоэлектронных преобразователей параметров движения с пространственной разверткой оптического излучения обычно применяется метод циклического преобразования или метод следящего преобразования. С помощью дискретных излучающих элементов измеряемая величина легко преобразуется в цифровую форму.

На кафедре «Информационно-измерительная техника» СамГТУ разработана серия оптоэлектронных преобразователей с пространственной разверткой излучения для измерения параметров движения.

Функциональный преобразователь перемещения содержит линейный газоразрядный индикатор 1, генератор 2тока, фотоприемник 3, ключ 4, счетчик 5 и генератор 6 импульсов.

Преобразователь работает следующим образом.

Пусть фотоприемник 3 переместился на расстояние х от начала свечения индикатора 1. Для получения электрического сигнала, зависящего от х по некоторой функции ц(x), генератор 2 тока должен вырабатывать ток, изменяющийся во времени по закону f(t), причем f(t) - функция, обратная ц(х).

При включении генератора 2 тока, вырабатывающего ток i = kf(t) (k - коэффициент, зависящий от свойств генератора 2 тока), начинается свечение индикатора 1, длина которого линейно зависит от величины тока i. Одновременно генератор 2 открывает ключ 4, и импульсы от генератора 6 импульсов начинают проходить в счетчик 5.

По истечении времени t_x ток от генератора 2 тока достигает величины i_x=kf(t_x), при которой свечение распространяется вдоль индикатора 1 на расстояние х от начала:

x=S·k·f(t_x), (1)

где S - коэффициент, учитывающий свойства индикатора 1.

При этом освещается фотоприемник 3, который закрывает ключ 4, и импульсы от генератора 6 импульсов перестают поступать в счетчик 5 импульсов.

Рис. 1. Схема функционального преобразователя перемещения

Таким образом, счетчик 5 заполнялся импульсами стабильной частоты в течение времени t_x . Из выражения (1)

,

где - функция, обратная f(t).

За время t_x в счетчик 5 прошло N импульсов от генератора 6.

Если период следования импульсов стабильной частоты Т₀ , то t_x=NT_o и

,

,

т.е. число импульсов, прошедшее в счетчик импульсов 5, находится в функциональной зависимости от перемещения по закону .

Устройство преобразования скорости объекта в код содержит шкальный дискретный индикатор (ШДИ) 1, генератор 2 импульсов стабильной частоты, фотоприемник 3, формирователь 4 импульсов, новый первый счетчик 5 импульсов, ключи 6, второй счетчик 7 импульсов, ключ 8, задатчик 9 кода и блок 10 деления.

Питается ШДИ 1 напряжением от генератора 2 импульсов стабильной частоты и работает таким образом, что при прохождении первого импульса светится пространство между катодом и первым анодом, а при прохождении «n» импульса светится пространство между катодом и n-ным анодом. Около ШДИ 1 расположен фотоприемник 3, кинематически связанный с объектом, скорость которого должна быть преобразована в код. В начальном положении фотоприемник находится у конца свечения ШДИ, т.е. в крайнем правом положении, перемещается со скоростью V вдоль ШДИ от конца свечения к началу. Фотоприемник оптически связан с ШДИ. Выход генератора 2 импульсов стабильной частоты соединен также со счетным входом второго счетчика 7, работающего в режиме вычитания, и входом первого счетчика 5 импульсов, выход фотоприемника 3 через формирователь импульсов присоединен к управляющим входам первого 6 и второго 8 ключей, входу сброса первого счетчика импульсов и входу сброса второго счетчика 7 импульсов, выходы счетчиков 5 и 7 присоединены к входам первого 6 и второго 8 ключей соответственно, а выходы этих ключей присоединены к первому и второму входам блока 10 деления, задатчик 9 кода соединен с соответствующими установочными входами счетчика 7.

Рис. 2. Схема устройства для преобразования скорости движения в код

Устройство работает следующим образом.

Перед измерением задатчиком 9 кода в счетчик 7 заносится код, пропорциональный количеству светящихся промежутков ШДИ, например 100.

Измерение начинают с момента перемещения фотоприемника 3 со скоростью V вдоль ШДИ 1 в направлении от конца свечения к началу. В этот момент времени запускается генератор 2 импульсов стабильной частоты, импульсы которого, имеющие частоту f₀, проходят на счетные входы счетчиков 5 и 7.

Под действием импульсов генератора 2 начинается перемещение светящегося промежутка ШДИ, который перемещается с дискрета на дискрет в соответствии с количеством импульсов, поступающих от генератора импульсов. По приходе N импульсов от генератора 2 фотоприемник, движущийся со скоростью V навстречу свечению, встречается с ним и светится. При этом время распространения свечения равно времени перемещения фотоприемника

,

отсюда

.

Частота f₀ должна быть постоянной и тогда отношение является мерой скорости V .

Когда фотоприемник 3 светится, на его выходе появляется сигнал, который преобразуется формирователем 4 в сигнал прямоугольной формы, передний фронт которого открывает ключи 6 и 8 и накопленные коды из счетчика 5 и счетчика 7 поступают на блок 10 деления, а задний фронт обнуляет счетчики 5 и 7, подготовив схему к следующему измерению. Количество импульсов на выходе счетчика 5 равно N , а на выходе реверсивного счетчика 7 - (100 -N) .

Таким образом, число импульсов на выходе блока 10 деления пропорционально скорости движения фотоприемника V. Причем это преобразование произведено без предварительного преобразования скорости движения в напряжение.

Рассмотренные преобразователи прошли апробацию в лабораторных условиях и показали хорошую работоспособность.

Измерительные преобразователи с пространственной разверткой оптического излучения строятся на тех же принципах, что и цифровые преобразователи развертывающего преобразования. Это обстоятельство позволяет при проектировании оптических приборов опираться на теорию построения и методику метрологического анализа цифровых приборов.

С помощью оптоэлектронных преобразователей можно измерять и другие физические величины, которые могут быть преобразованы в перемещение. Например, эти преобразователи могут с успехом применяться для измерения уровня жидкостей, температуры, линейных размеров, а также при кодировании пространственных величин.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Авт. свид. № 1264341. СССР НКИЗ Н 03М1/30. Функциональный преобразователь перемещений. Б.И. № 38 от 15.10.86 В.А.Кузнецов, О.Г. Корганова

2. Авт. свид. № 1269027. СССР НКИЗ G 01P3/481. Устройство преобразования скорости объекта в код. Б.И. № 41 от 07.11.86 В.А.Кузнецов, О.Г. Корганова

3. Авт. свид. № 1348660. СССР НКИЗ G 01PН 9/00. Оптоэлектронный функциональный вибропреобразователь. Б.И. № 40 от 30.10.87 В.А.Кузнецов, О.Г. Корганова

Размещено на Allbest.ru