Оптико-електронні засоби контролю параметрів обертального руху на основі методу просторової модуляції

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптико-електронні засоби контролю параметрів обертального руху на основі методу просторової модуляції

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика дисертаційної роботи

Актуальність теми. Розширення діапазону, підвищення точності вимірювань і вірогідності контролю об'єкта, що досліджується, завжди залишається важливою науково-технічною задачею. У випадку, коли неможливо з достатньою точністю аналітично описати параметри об'єкта контролю, експериментальні дослідження є єдиним способом одержання вимірювальної інформації, а вірогідність контролю - єдиною кількісною оцінкою відповідності результату контролю дійсному стану параметра об'єкта. До таких параметрів відносять і параметри обертального руху: кутове положення, кутова швидкість, биття. Оскільки операції порівняння з нормою передує операція порівняння зі зразковою величиною, то для кількісної оцінки параметрів обертального руху застосовують різноманітні засоби вимірювань, але обов'язковими їхніми складовими є об'єкт контролю, елементи спряження з сенсором, вторинний вимірювальний прилад. В теперішній час застосовують як контактні, так і безконтактні засоби контролю виділених інформативних параметрів. Відсутність елементів спряження сенсора з об'єктом в безконтактних засобах контролю забезпечує відсутність впливу інерційних властивостей сенсора, похибки ексцентриситету, перехідного процесу муфти спряження на результати вимірювань. Але дані засоби не забезпечують необхідну роздільну здатність z (кількість виміряних значень за один оберт вала об'єкта контролю) і тому не використовуються для динамічних вимірювань параметрів обертального руху (ОР).

Контактні засоби контролю характеризуються достатньою роздільною здатністю (z10000), завдяки чому забезпечуються прийнятні метрологічні характеристики як в статичному, так і в динамічному режимах роботи. Але наявність перехідного процесу муфти спряження приводить до обмеження нижньої межі вимірювань кутової швидкості об/хв і появи похибки ексцентриситету. Інерційні властивості сенсора та муфти спряження є причиною виникнення динамічної похибки. Конструктивні особливості таких сенсорів значно обмежують і верхню межу вимірювань кутової швидкості об/хв.

Контроль кутового положення, наприклад, крокового двигуна, за рахунок тривалості перехідного процесу муфти спряження приводить до невиправданого зменшення швидкодії. Крім того, така конструкція (муфта спряження - сенсор) ускладнює контроль параметрів ОР в умовах експлуатації, коли вихідний вал тіла обертання з'єднано з навантаженням.

Тому, створення засобів контролю, які б забезпечували високу точність, малу інерційність, широкий діапазон вимірювань є важливою і актуальною задачею. Одним із шляхів вирішення цієї задачі є розробка такого методу і мікропроцесорного засобу контролю параметрів ОР, яким були б притаманні переваги відомих безконтактних засобів та відсутні недоліки контактних.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з тематичним планом виконання НДДКР у Вінницькому національному технічному університеті, зокрема за держбюджетною роботою №23-Д-240, номер держреєстрації 0102U002255 та №23-Д279 «Розробка оптико-електронних вимірювальних перетворювачів параметрів обертального руху», номер держреєстрації 0105U002433.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення вірогідності контролю і розширення діапазону вимірювань параметрів обертального руху за допомогою оптико-електронних засобів на основі безконтактного методу просторової модуляції.

Для досягнення цієї мети у роботі вирішені такі задачі: зроблено огляд оптико-електронних вимірювальних перетворювачів параметрів ОР та наведено їх класифікацію; розроблено метод просторової модуляції та узагальнену структуру оптико-електронного ВП параметрів ОР на основі цього методу для безконтактного вимірювання параметрів обертального руху; розроблено математичну модель перетворення випромінювання в оптичній системі, математичну модель просторово-оптичного модулятора та математичну модель вимірювання параметрів ОР в динамічному режимі, досліджено вплив на процес перетворення неінформативних параметрів; розроблено засіб контролю параметрів обертального руху, виведено рівняння перетворення кута повороту, кутової швидкості та биття в цифровий код; отримано аналітичні залежності для оцінювання основних статичних метрологічних характеристик засобу контролю та аналітичні залежності для оцінки вірогідності контролю кута повороту, кутової швидкості та биття; розроблено методику інженерного проектування оптико-електронних засобів контролю на основі методу просторової модуляції та створено експериментальний зразок засобу контролю параметрів обертального руху; виконано експериментальні дослідження і підтверджено адекватність результатів фізичного і математичного моделювання.

Об'єктом дослідження є процес вимірювання та контролю параметрів обертального руху, зокрема кутового положення, кутової швидкості і биття.

Предметом дослідження є методи і оптико-електронні засоби вимірювального контролю параметрів обертального руху в умовах їх безконтактного вимірювання.

Методи дослідження. В основу дисертаційної роботи покладено порівняльний аналіз існуючих вимірювальних перетворювачів параметрів ОР та методи теорії їх вимірювального перетворення, теорія вимірювального перетворення неелектричних величин, методи математичного і фізичного моделювання, теорія похибок вимірювань і контролю, теорія ймовірності і випадкових процесів, методи математичної статистики при обробці результатів вимірювань, теорія диференціальних рівнянь.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблено новий метод безконтактного контролю параметрів обертального руху (кутове положення, кутова швидкість, биття), який від відомих відрізняється тим, що контрольована величина попередньо перетворюються за допомогою оптичної системи і просторово-оптичного модулятора у формі Архімедової спіралі у лінійне зміщення світлової плями на позиційно-чутливому елементі, що дозволило в 3 - 5 разів розширити діапазон вимірювання та підвищити вірогідність контролю.

2. Вперше розроблено математичну модель вимірювального перетворення контрольованих параметрів обертального руху в значення струму на виході позиційно-чутливого елементу і описано ці фізичні процеси системою диференціальних рівнянь, яка враховує динамічні властивості засобу контролю. Доведено, що запропонована модель адекватно відтворює фізичні процеси, які протікають в оптико-електронних засобах контролю кутового положення, кутової швидкості та биття як в статичному, так і в динамічному режимах роботи.

3. Вперше отримано аналітичні залежності функцій перетворення кутового положення, кутової швидкості і биття в двійковий код для статичного режиму та оцінено тривалість перехідного процесу для динамічного режиму роботи мікропроцесорного оптико-електронного засобу контролю параметрів обертального руху. Показано, що застосування розробленого засобу контролю дозволяє зменшити тривалість перехідного процесу, що призвело до розширення діапазону вимірювання кутової швидкості (0,16…16 000 рад/с).

4. Отримано аналітичні залежності для оцінювання функцій чутливості впливних величин на результати вимірювання параметрів обертального руху для оптико-електронних засобів контролю, при цьому виділено такі основні складові інструментальної похибки як похибка АЦП, похибка ексцентриситету та похибка від дії інших впливів і знайдено композицію законів розподілу для виділених складових випадкової похибки, що дозволило оцінити показники вірогідності контролю параметрів обертального руху.

Практичне значення одержаних результатів:

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено та впроваджено мікропроцесорні засоби контролю параметрів обертального руху, які дозволяють підвищити вірогідність контролю кутової швидкості, кутового положення та биття в широкому діапазоні вимірювань.

Практичне використання результатів роботи полягає в розробці інженерної методики проектування оптико-електронного засобу контролю параметрів обертального руху, на основі якої розроблено структурні, функціональні, схеми електричні принципові засобу контролю, використання яких дозволяє знизити нижню межу вимірювання кутової швидкості до 0,16 рад/с та підвищити швидкодію процесу контролю кутового положення. Відсутність муфти спряження дозволяє реалізувати вимірювальний контроль, в якого верхня межа вимірювання кутової швидкості становить рад/с і забезпечує розрізнювальну здатність , що відповідає кращим світовим зразкам.

Розроблено алгоритми обробки вимірювальної інформації та програмне забезпечення для мікроконтролера й програмне забезпечення верхнього рівня, яке дозволяє скоротити трудомісткість та затрати часу на отримання, обробку та зберігання вимірювальної інформації.

Виготовлено експериментальний зразок мікропроцесорного оптико-електронного засобу контролю параметрів обертального руху, в якого суттєво зменшено похибки ексцентриситету і взаємодії. Розроблено структурні схеми для експериментальних досліджень кутової швидкості, кутового положення та биття. Аналіз результатів експериментальних досліджень показав, що відсутність впливу моменту інерції сенсора забезпечує зменшення динамічної похибки.

Практична реалізація безконтактного методу дозволяє застосовувати розроблений засіб контролю у важкодоступних місцях і здійснювати безперервний контроль стану обладнання в умовах експлуатації.

Одержані наукові результати впроваджено на інноваційно-впроваджувальному підприємстві «ІнноВіннпром» (м. Вінниця). Результати, які стосуються мікропроцесорних засобів контролю кутової швидкості, впроваджено в навчальний процес у лабораторії електровимірювальної техніки на кафедрі теоретичної електротехніки та промислової електроніки Вінницького національного технічного університету в лабораторному практикумі «ІВС в електромеханіці».

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні, розрахункові та експериментальні результати з формулюванням відповідних висновків отримані автором самостійно. Окремі результати отримані в співавторстві, у цих випадках особистий внесок автора у патентах на винахід, статтях та тезах доповідей такий: [2] - виведені аналітичні залежності для оцінювання основних статичних метрологічних характеристик вимірювальних каналів; [3] - отримано функцію перетворення биття в зміщення відбитого світлового променя та досліджено функції чутливості впливних величин на результати вимірювання; [4] - розроблено узагальнену структурну схему засобу вимірювання параметрів обертального руху, проаналізовано її застосування; [5] - розроблено метод просторової модуляції, структурну схему імпульсного вимірювального перетворювача кута повороту та отримано функцію перетворення кута повороту в зміщення світлового відбитого променя; [6] - розроблено просторово-оптичний модулятор у формі Архімедової спіралі та структурну схему мікропроцесорного засобу контролю параметрів обертального руху; [7] - розроблено алгоритми та програмне забезпечення для обробки результатів вимірювання кута повороту, кутової швидкості; [8] - виведено функції перетворення кута повороту, кутової швидкості в цифровий код для оптико-електронного засобу вимірювань кутових параметрів; [9] - розроблено структурну схему пристрою для вимірювання кутової швидкості на основі методу просторової модуляції; [10] - розроблено структурну схему пристрою для вимірювання дисбалансу роторів; [11] - розроблено структурну схему пристрою для вимірювання кутової швидкості та прискорення з використанням цифрових перетворювачів положення; [12] - розроблено структурну схему пристрою для вимірювання амплітуди малих лінійних переміщень; [13] - розроблено математичну модель вимірювального перетворення параметрів обертального руху в значення струму на виході позиційно-чутливого елементу; [14] - виведені аналітичні залежності для оцінювання основних статичних і динамічних властивостей оптико-електронних засобів контролю кута повороту та кутової швидкості.

Апробації результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на Міжнародній конференції «Conference on Modeling & Simulation, MS'2001», м. Львів, 2001 р.; ІІ-ій науково-технічній конференції «Фотоніка-ОДС 2002», м. Вінниця, 2002 р.; VI, VII та VIII міжнародних молодіжних форумах «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті» м. Харків, 2002, 2003, 2004 рр.; Міжнародних науково-практичних конференціях «Контроль і управління в складних системах» м. Вінниця, 2003, 2005 рр.; Міжнародній науково-технічній конференції «Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації» м. Кременчук, 2004 р.; Другій всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і спеціалістів м. Кременчук, 2004; Міжнародних молодіжних конференціях «Гагаринские чтения» м. Москва, 2004, 2005 рр.; Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування», м. Вінниця, 2005 р.; Міжнародній науково-технічній конференції «Датчики, приборы и системы - 2005», м. Ялта, 2005 р.

Результати роботи доповідались на щорічних семінарах кафедри теоретичної електротехніки та промислової електроніки Вінницького національного технічного університету та науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу співробітників та студентів університету за участю науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області (2001-2005 рр.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи висвітлено в 24 наукових працях, у тому числі: 8 статей у журналах, що внесені до переліку ВАК, 4 патенти України на винаходи, 2 тез доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та 12 додатків. Повний обсяг дисертації 222 сторінки, в яких основний зміст викладено на 149 сторінках друкованого тексту, містить 81 рисунок та 15 таблиць. Список використаних джерел складається з 156 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, зв'язок з науковими програмами, планами і темами, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, наведено інформацію про впровадження результатів роботи, їх апробацію та публікації.

У першому розділі проаналізовано засоби контролю кутового положення, кутової швидкості та лінійних переміщень різного принципу дії. Встановлено, що чільне місце серед них посідають оптичні та оптико-електронні засоби контролю, які забезпечують високу швидкодію, точність і безконтактність вимірювань, а також мають ряд інших переваг. Тому, особливо увагу було приділено оптичним вимірювальним перетворювачам (ВП) параметрів обертального руху.

Для аналізу відомих оптико-електронних засобів контролю розроблено класифікацію, в основу якої покладено 7 класифікаційних ознак. Встановлено, що розглянуті оптико-електронні засоби контролю мають такі недоліки, як інерційні властивості, що призводять до виникнення динамічної похибки, похибку ексцентриситету, зумовлену незбіжністю осей об'єкта та вимірювального перетворювача, та обмеженість діапазону вимірювання, що для кутової швидкості не перевищує 800 рад/с.

Показано, що найвищий показник інформаційної ефективності мають оптико-електронні вимірювальні перетворювачі з використанням позиційно-чутливих детекторів (ПЧД), що становить 0,91.

Отримані результати дозволили визначити подальший напрямок досліджень. Для підвищення вірогідності контролю, розширення діапазону вимірювань та зменшення похибки ексцентриситету доцільним є дослідження оптико-електронних засобів контролю на основі методу просторової модуляції.

У другому розділі дисертації розроблено метод та теоретичні основи вимірювального перетворення параметрів обертального руху.

Для розширення діапазону і підвищення вірогідності контролю пропонується безконтактний метод просторової модуляції. Суть методу така: для здійснення операції безконтактного контролю параметри обертального руху попередньо перетворюють за допомогою просторового модулятора і оптичної системи у лінійне переміщення світлової плями на вході позиційно-чутливого елементу з наступним перетворенням переміщення у значення струму на його виході.

Даний метод безконтактного контролю параметрів обертального руху на основі просторової модуляції здійснюють за допомогою структурної схеми, що наведена на рис. 1. Випромінювання від джерела світла 1 направляється на розміщений на обертальній частині об'єкта 3 просторово-оптичний модулятор 2, відбивається від нього, проходить через оптичну систему 4 і потрапляє на позиційно-чутливий елемент 5, який визначає положення центра розподілу інтенсивності світлової плями по двом осям координат.

Структурна схема описується узагальненою математичною моделлю перетворення випромінювання в оптичній системі

, (1)

де H - лінійне зміщення світлової плями на позиційно-чутливому елементі; F - фокус оптичної системи; a - лінійне переміщення об'єкта; б - кут падіння випромінювання; b - базовий перпендикуляр.

Встановлено, що залежність переміщення відбивної поверхні модулятора в зміщення світлової плями на позиційно-чутливому елементі є лінійною, а нелінійність проявляється для переміщень більше 3 см.

Показано, що для здійснення безконтактного методу контролю основним елементом у наведеній схемі (рис. 1) є просторово-оптичний модулятор.

Розроблено узагальнену математичну модель просторово-оптичного модулятора, яка має такий вигляд:

(2)

де - кут повороту просторо-оптичного модулятора; - кутова швидкість; - лінійне зміщення; - лінійна швидкість; , , і , , - коефіцієнти поліномів.

Застосувавши узагальнену математичну модель (2) проаналізовано форми кривих (спіралі Фермі, Галілея, Архімеда та логарифмічна спіраль) та їхні функції перетворення кутового положення в прямолінійне зміщення. Встановлено, що спіраль Галілея є найбільш перспективною за критерієм лінійності, але її недоліком є порівняно невисока чутливість. Найбільшою чутливістю, а також нелінійністю характеризується спіраль Фермі. Архімедова спіраль поєднує в собі переваги двох попередніх кривих.

В результаті порівняння за критерієм лінійності та чутливості статичних характеристик запропоновано застосувати для вимірювання параметрів обертального руху просторово-оптичний модулятор у формі Архімедової спіралі.

На основі методу електромеханічних аналогій побудовано математичну модель контролю параметрів обертального руху у вигляді системи диференціальних рівнянь, яка враховує динамічні властивості засобу контролю:

 (3)

де - напруга на виході вимірювального перетворювача; - фотострум ПЧД; - темновий струм ПЧД; - міжелектродний опір ПЧД; - ємність міжелектродного з'єднання ПЧД; - опір емітера транзистора, - опір бази транзистора; - вихідний опір вимірювального перетворювача.

Оцінено тривалість перехідного процесу. Отримано аналітичні залежності для перехідної та імпульсної характеристик. Встановлено, що тривалість перехідного процесу пропонованого засобу контролю не перевищує 1·10^- 6 с.

У третьому розділі дисертаційної роботи розроблено первинні вимірювальні перетворювачі параметрів обертального руху на основі безконтактного методу просторої модуляції.

Розроблено структуру первинного вимірювального перетворювача биття обертових частин об'єктів контролю в процесі їхньої роботи (рис. 2) та отримано рівняння перетворення амплітуди биття в зміщення світлової плями на позиційно-чутливому елементі:

, (4)

де H - лінійне зміщення світлової плями на перетворювачі положення; F - фокус оптичної системи; a - лінійне переміщення об'єкта; б - кут падіння випромінювання; b - базовий перпендикуляр.

Встановлено, що засіб контролю реалізований за даною схемою забезпечує високу точність вимірювань в широкому діапазоні як в статичному, так і в динамічному режимах роботи.

Розроблено структуру вимірювального перетворювача кута повороту та кутової швидкості з використанням просторового модулятора у формі Архімедової спіралі (рис. 3). Отримано рівняння перетворення кута повороту та кутової швидкості в зміщення світлової плями на перетворювачі положення:

; (5)

, (6)

де с - постійна Архімедової спіралі; - кут повороту обертальної частини об'єкта контролю; - радіус модулятора; t - час вимірювань.

Побудовано теоретичну залежність зміщення світлової плями від кута повороту об'єкта. Встановлено, що залежність переміщення відбивної поверхні модулятора в зміщення світлової плями на перетворювачі положення є лінійною, а нелінійність проявляється при перетворенні переміщень більше 3 см.

Виведено аналітичні залежності для оцінювання впливу на процес перетворення таких неінформативних параметрів, як кут падіння випромінювання, фокус оптичної системи та базова відстань:

- коефіцієнт впливу фокуса оптичної системи на вихідний параметр

(7)

- коефіцієнт впливу кута падіння випромінювання на вихідний параметр

(8)

- коефіцієнт впливу базової відстані на вихідний параметр

(9)

- коефіцієнт впливу фокуса оптичної системи на номінальну чутливість

(10)

- коефіцієнт впливу кута падіння випромінювання на номінальну чутливість

; (11)

- коефіцієнт впливу базової відстані на номінальну чутливість

(12)

Встановлено, що чутливість перетворення зростає зі збільшенням фокусу оптичної системи і зменшенням значення базової відстані. Підбір оптимального співвідношення значення бази, фокусу і кута падіння забезпечують необхідну чутливість перетворення. Доведено, що у процесі контролю параметрів обертального руху суттєво зменшується похибка взаємодії і ексцентриситету.

На основі розроблених первинних вимірювальних перетворювачів запропоновано структурну схему мікропроцесорного засобу контролю параметрів обертального руху.

Виведено аналітичні залежності для функцій перетворення кута повороту, кутової швидкості та биття в цифровий код.

, ,. (13)

де - коефіцієнт підсилення підсилювача; - довжина фоточутливого шару ПЧД; - розрядність АЦП; - опорна напруга АЦП.

Оцінено функції чутливості впливних величин на результати вимірювання параметрів обертального руху. Виведені аналітичні залежності для оцінювання основних статичних метрологічних характеристик засобу контролю кута повороту, кутової швидкості та лінійних переміщень:

- коефіцієнти впливу радіуса просторового модулятора на кутову швидкість та номінальну чутливість

, ;

- коефіцієнти впливу сталої Архімедової спіралі на кут повороту та номінальну чутливість

, ;

- коефіцієнт впливу довжини позиційно-чутливого детектора на биття та номінальну чутливість

, .

Виділено основні складові інструментальної похибки: похибка АЦП, похибка ексцентриситету та похибка від дії інших впливів. Встановлено, що вони мають випадковий характер. Знайдено композицію законів розподілу для виділених складових випадкової похибки, що дозволило оцінити показники вірогідності контролю параметрів обертального руху.

Отримані залежності для розрахунку помилок першого і другого роду для контролю кутової швидкості, кута повороту та биття. Оцінена вірогідність контролю для кутової швидкості, кута повороту та биття.

В четвертому розділі розроблено інженерну методику проектування оптико-електронних засобів контролю параметрів обертального руху з використанням методу просторової модуляції, на основі якої розроблено функціональну та схему електричну принципову, виготовлено експе-риментальний зразок засобу контролю.

Розроблено алгоритми та програмне забезпечення для отримання та обробки контрольно-вимірювальної інформації (зчитування даних з USB порту та збереження в файл, виведення результатів вимірювання в табличній формі та у вигляді графіків), що дозволяє скоротити трудомісткість та затрати часу на отримання, обробку та зберігання вимірювальної інформації.

Запропоновані структурні схеми для експериментальних досліджень кутової швидкості, кутового положення та биття об'єкта контролю. Аналіз результатів експериментальних досліджень показав, що відсутність впливу моменту інерції сенсора забезпечує зменшення динамічної похибки і дозволяє застосовувати розроблений засіб контролю у важкодоступних місцях і здійснювати безперервний контроль стану обладнання в умовах експлуатації.

За результатами вимірювань кутової швидкості оцінено основні статистичні характеристики (СКВ=0,165 рад/с) та побудовані закони розподілу контрольованої величини та похибки вимірювань. Побудовано зміну кутової швидкості в часі. Встановлено, що відносна похибка вимірювань кутової швидкості не перевищує 0,6%, помилка першого роду становить 0,0163, помилка другого роду - 0,0012. Загальна ймовірність прийняття вірного рішення становить 0,982.

За результатами вимірювань кутового положення оцінено основні статистичні характеристики (СКВ=1,9 рад) та побудовані закони розподілу контрольованої величини та похибки вимірювань. Отримано експериментальну статичну характеристику (рис. 11). Встановлено, що відносна похибка вимірювань кута повороту не перевищує 0,8%. Вірогідність контролю становить: помилка першого роду становить 0,0275, помилка другого роду - 0,017, загальна ймовірність прийняття вірного рішення 0,956.

За результатами вимірювань биття оцінено основні статистичні характеристики (СКВ=1,04 мм) та побудовані закони розподілу контрольованої величини та похибки вимірювань. Отримано експериментальну статичну характеристику (рис. 12). Встановлено, що відносна похибка вимірювань биття не перевищує 0,7%, помилка першого роду становить 0,0275, помилка другого роду - 0,013. Загальна ймовірність прийняття вірного рішення становить 0,96.

За результатами порівняння метрологічних характеристик розробленого засобу контролю з відомими аналогами (табл. 1) встановлено, що представлений засіб контролю дозволяє розширити верхню межу вимірювань кутової швидкості у 3 - 5 разів та знизити нижню межу вимірювання кутової швидкості до рад/с при тій же роздільній здатності та має вищу роздільну здатність по кутовому та лінійному положенню. Відсутність муфти спряження дозволяє реалізувати вимірювальний перетворювач, в якого верхня межа вимірювання кутової швидкості становить рад/с.

Таблиця 1

У додатках наведено проміжні математичні перетворення, схему електричну принципову мікропроцесорного засобу контролю параметрів обертального руху, фрагменти текстів програмного забезпечення мікроконтролера та програмного забезпечення верхнього рівня, акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

Основні результати роботи та висновки

У дисертації вирішена актуальна наукова задача, яка полягає в розробці методу просторової модуляції та оптико-електронного засобу на його основі для контролю параметрів обертального руху, що забезпечує розширення діапазону та підвищення вірогідності контролю параметрів обертального руху. Основні наукові і практичні результати роботи є такими:

В галузі теоретичних та експериментальних досліджень:

Розроблено нову класифікацію оптичних засобів контролю параметрів обертального, в основу якої покладено 7 класифікаційних ознак. Дана класифікація дозволила більш повно охопити відомі засоби контролю параметрів ОР. Встановлено, що за цим критерієм найвищий показник інформаційної ефективності мають оптико-електронні вимірювальні перетворювачі з використанням позиційно-чутливих елементів, що становить 0,91.

Розроблено метод просторової модуляції випромінювання оптичного діапазону для безконтактного вимірювання параметрів обертального руху з використанням просторово-оптичного модулятора у форму Архімедової спіралі, що дозволяє в 3 - 5 разів розширити діапазон вимірювання в статичному та динамічному режимах та підвищити вірогідність контролю.

Розроблено математичну модель вимірювального перетворення контрольованих параметрів обертального руху в значення струму на виході позиційно-чутливого елементу і описано ці фізичні процеси системою диференціальних рівнянь, що враховує динамічні властивості засобу контролю. Доведено, що запропонована модель адекватно відтворює фізичні процеси, які протікають в оптико-електронних засобах контролю кутового положення, кутової швидкості та биття як в статичному, так і в динамічному режимах роботи.

Оцінено тривалість перехідного процесу для динамічного і отримано аналітичні залежності функцій перетворення кутового положення, кутової швидкості і биття в двійковий код для статичного режимів роботи мікропроцесорного оптико-електронного засобу контролю параметрів обертального руху. Встановлено, що за рахунок зменшення тривалості перехідного процесу розширено діапазон вимірювання кутової швидкості (0,16…16 000 рад/с).

Розроблено узагальнену математичну модель просторово-оптичного модулятора і за чутливістю та лінійністю статичних характеристик обґрунтовано вибір форми модулятора у вигляді Архімедової спіралі.

Оцінено функції чутливості впливних величин на результати вимірювання параметрів обертального руху. Виділено такі основні складові інструментальної похибки, як похибка АЦП, похибка ексцентриситету та похибка від дії інших впливів. Встановлено, що вони мають випадковий характер. Знайдено композицію законів розподілу для виділених складових випадкової похибки, що дозволило оцінити показники вірогідності контролю параметрів обертального руху. Експериментально встановлено, що під час контролю параметрів обертального руху суттєво зменшується похибка взаємодії і ексцентриситету, що забезпечує інструментальну вірогідність контролю 0,955.

У галузі практичного використання:

Запропоновано узагальнену структурну схему оптико-електронного вимірювального перетворювача параметрів ОР на основі методу просторової модуляції, на основі якої було розроблено мікропроцесорний засіб контролю параметрів ОР в статичному і динамічному режимах роботи.

Розроблена інженерна методика проектування оптико-електронного засобу контролю параметрів обертального руху, на основі якої розроблено, виготовлено та впроваджено засіб контролю кута повороту, кутової швидкості та биття. Розроблено структурні, функціональні та схеми електричні принципові засобу контролю, використання яких дозволяє знизити нижню межу вимірювання кутової швидкості до рад/с та підвищити швидкодію процесу контролю кутового положення. Відсутність муфти спряження дозволяє реалізувати вимірювальний перетворювач, в якого верхня межа вимірювання кутової швидкості  рад/с і забезпечується розрізнювальна здатність .

Для експериментальних досліджень кутової швидкості, кутового положення та лінійних зміщень розроблено структурні схеми. Аналіз результатів експериментальних досліджень показав, що відсутність впливу моменту інерції сенсора забезпечує зменшення динамічної похибки і дозволяє застосовувати розроблений засіб контролю у важкодоступних місцях і здійснювати безперервний контроль стану обладнання в умовах експлуатації.

Розроблено алгоритми обробки вимірювальної інформації та програмне забезпечення для мікроконтролера й програмне забезпечення верхнього рівня, яке дозволяє скоротити трудомісткість та затрати часу на отримання, обробку та зберігання вимірювальної інформації.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Білинська М.Й. Класифікація оптичних вимірювальних перетворювачів параметрів обертального руху // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2001. - №2. - С. 171 - 177.

2. Кухарчук В.В., Кучерук В.Ю., Поджаренко В.О., Білинська М.Й. Оцінка статичних метрологічних характеристик ВК зусилля // Наукові праці ДонДТУ. Серія Обчислювальна техніка та автоматизація. - Донецьк: ДонДТУ, 2001. - №25. - С. 260 - 268.

3. Кухарчук В.В., Білинська М.Й. Пристрій для вимірювання биття обертових частин електричних машин // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - 2002. - №1. - С. 315 - 317.

4. Кухарчук В.В., Білинська М.Й. Використання багатопараметричних інтегральних фотоприймальних пристроїв для контролю параметрів обертального руху // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2003. - №6. - С. 113 - 115.

5. Кухарчук В.В., Білинська М.Й. Імпульсний вимірювальний перетворювач кута повороту // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2003. - №3 Т.2. - С. 121 - 124.

6. Кухарчук В.В., Білинська М.Й. Мікропроцесорна система контролю параметрів обертального руху на основі оптико-електронного вимірювального перетворювача // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - 2004. - №2. - С. 42 - 44.

7. Кухарчук В.В., Білинська М.Й. Оптико-електронний засіб вимірювання кутових параметрів і його практична реалізація // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2005. - №3. - С. 162 - 164.

8. Кухарчук В.В., Білинська М.Й. Оптико-електронний засіб вимірювань кута повороту і кутової швидкості // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2005. - №5. - С. 156 - 161.

9. Пат. 55791 Україна, МКІ G 01 P 3/36. Пристрій для вимірювання кутової швидкості / Кухарчук В.В., Білинська М.Й. - №2002065111; Заявлено 20.06.2002; Опубл. 15.04.2003, Бюл. №4. - 2 с.

10. Пат. 48759А Україна, МКІ G 01 M 1/22. Пристрій для вимірювання дисбалансу роторів / Білинський Й.Й., Кухарчук В.В., Білинська М.Й. - №2001128242; Заявлено 03.12.2001; Опубл. 15.08.2002, Бюл. №8. - 2 с.

11. Пат. 56722 Україна, МКІ G01P3/36. Пристрій для вимірювання кутової швидкості та кутового прискорення / Кухарчук В.В., Білинська М.Й., Білинський Й.Й. - №2002086941; Заявлено 23.08.2002; Опубл. 15.05.2003, Бюл. №5. - 2 с.

12. Пат. 68904А Україна, МКІ G01H9/00. Пристрій для вимірювання амплітуди малих лінійних переміщень / Кухарчук В.В., Білинська М.Й., Білинський Й.Й. - №20031110348; Заявлено 16.08.2004; Опубл. 16.08.2004, Бюл. №8 - 2 с.

13. Кухарчук В.В., Білинська М.Й. Оптико-електронний засіб вимірювання кута повороту і кутової швидкості // Матеріали І Міжнародної науково-технічної конференції «Сучасні проблеми радіотехніки, телекомунікацій та приладобудування 2005». - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця. - 2005. - С. 110.

14. Kuharchuk V., Bilynska M., Usov V. Optic-electronic control device of the turning angle and angular velocity // Контроль і управління в складних системах (КУСС-2005). Тези доповідей восьмої міжнародної науково-технічної конференції. - Вінниця: «Універсум-Вінниця», 2005. - С. 61.

Размещено на Allbest.ru