Компенсация температурного дрейфа нуля электронных датчиков угловых отклонений

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОМПЕНСАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ДРЕЙФА НУЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ УГЛОВЫХ ОТКЛОНЕНИЙ

С.М. Тарасов, В.В. Цодокова

(АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт_Петербург).

Предложен алгоритм компенсации температурного дрейфа нуля электронных датчиков угловых отклонений, используемых в прецизионных системах для определения наклона контролируемого основания. Алгоритм основан на использовании преобразований Фурье с учетом данных от датчика температуры.

Введение. Высокоточные электронные датчики (ЭД) угловых отклонений используются в прецизионных системах (например, [1]) для определения наклона контролируемого основания относительно горизонта. При этом на точность окончательного результата существенное влияние оказывает смещение нуля датчика.

Для исключения погрешности, обусловленной этим параметром, используют развороты системы со снятием отсчетов в диаметрально противоположных позициях. Однако в случае продолжительных временных интервалов между измерениями возможно изменение смещения нуля, вызванное колебаниями температуры окружающей среды и, как следствие, неполное исключение этой составляющей погрешности.

Таким образом, при эксплуатации датчиков в условиях изменяющейся температуры окружающей среды возникает необходимость компенсации температурного дрейфа нуля. В настоящей работе представлен алгоритм компенсации температурного дрейфа нуля, позволяющий устранить смещение нуля датчика без потери информативного сигнала.

Сигнал датчика и его составляющие. Примером высокоточных ЭД является Zerotronic (ф. Wyler AG, Швейцария), который имеет малые габариты, широкий диапазон измерений и работает при температурах от -40° до +50°С.

Технические характеристики ЭД Zerotronic [2]:

- диапазон измерений: ±0.5°;

- предельная погрешность определения угла наклона относительно горизонта во всем диапазоне измерений: 2.5;

- чувствительность: 0.7;

- температурный дрейф нуля: 2 /°С;

- габариты, мм: 55 х 32 х 32.

В общем случае сигнал ЭД можно представить в следующем виде:

, (1)

где - наклон основания относительно горизонта;

- шум ЭД;

- наклон основания, вызванный температурной деформацией конструкции:

,

где - температура;

- коэффициент влияния температуры на конструкцию основания;

- смещение нуля ЭД:

,

где - постоянная составляющая смещения нуля;

- коэффициент влияния температуры на смещение нуля;

- случайный наклоны, вызванные внешними факторами;

- время измерений.

Шум датчика имеет нормальное распределение и его величина зависит от характеристик ЭД, но в большинстве случаев не превышает 1.

Наклон основания относительно горизонта является одной из составляющих полезного сигнала датчика. При развороте датчика на 180° эта составляющая меняет знак на противоположный (рис. 1).

Температурная деформация конструкции основания, так же как и изменение смещения нуля датчика, возникают при изменении температуры окружающей среды. Обе они повторяют форму сигнала температуры, но при развороте на 180° составляющая температурной деформации конструкции меняет свой знак на противоположный, так как тоже является частью полезного сигнала.

Случайные наклоны, вызванные внешними факторами, также являются полезным сигналом и меняют свой знак на противоположный при повороте датчика на 180°.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 1 показано различие между составляющими полезного сигнала (, и ) и смещением нуля () при развороте на 180°.

Таким образом, в случае периодических разворотов системы на 180° выражение (1) принимает вид

, (2)

где - поворот основания на 180°;

- период разворота основания.

Алгоритм компенсации температурного дрейфа нуля электронных датчиков угловых отклонений. Для компенсации температурного дрейфа нуля предлагается использовать алгоритм, позволяющий устранить смещения нуля в сигнале, который состоит из показаний ЭД в двух диаметрально противоположных позициях (рис. 2). В таком сигнале (рис. 1) смещение нуля и составляющие действительного наклона вследствие влияния температуры на конструкцию основания разделены по частотам, т.к. при развороте на 180° составляющая действительного наклона меняет знак на противоположный (имеет периодический характер), а смещение нуля - нет (имеет линейный характер).

Алгоритм сводится к определению коэффициента влияния температуры (КВТ) и состоит из нескольких этапов:

- предварительная обработка данных;

- определение КВТ в каждой серии;

- определение поправок КВТ;

- определение итогового КВТ;

- компенсация температурного дрейфа нуля.

Предварительная обработка данных

Предварительная обработка данных требуется для разделения исходного сигнала на серии, содержащие только один разворот основания на 180°. Также на этом отрезке времени выделяется соответствующий сигнал температуры (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение КВТ в каждой серии

На этом этапе для каждой полученной серии с использованием прямого преобразования Фурье формируются спектры сигнала ЭД и сигнала датчика температуры (рис. 4).

В спектре сигнала датчика температуры определяется частота , на которой спектр имеет максимальную амплитуду . На той же частоте определяется амплитуда спектра .

.

КВТ определяется как

. (3)

На данном этапе определяются промежуточные КВТ для каждой отдельной серии.

Определение поправок коэффициентов

В связи с тем, что в сигнале ЭД присутствует случайная составляющая наклона , которая может существенно повлиять на точность компенсации температурного дрейфа нуля и определение КВТ, необходимо определить поправки к ранее рассчитанным .

Для определения поправок к КВТ сначала выполняется компенсация температурного дрейфа нуля для каждой серии с использованием полученных КВТ

, (4)

где - компенсированный сигнал;

- операция обратного преобразования Фурье.

Далее полученный компенсированный сигнал центрируется относительно среднего элемента массива. Для полученного сигнала применяется прямое преобразование Фурье, формируется его спектр и определяется КВТ по формуле (3), который далее используется как поправка к .

Определение итогового коэффициента

В результате работы алгоритма формируется некоторый массив значений для каждой серии и соответствующие им поправки (таблица 1).

Таблица 1 КВТ и поправки к ним

Итоговый КВТ определяется следующим образом

, (5)

где - число серий.

Компенсация температурного дрейфа нуля

Компенсация температурного дрейфа нуля выполняется по формуле (4) с использованием итогового КВТ, рассчитанного по формуле (5), для полного сигнала .

Моделирование работы алгоритма. Для реализации предложенного алгоритма компенсации температурного дрейфа нуля датчиков в программном пакете Matlab была создана модель сигнала ЭД в соответствии с (2), а для оценки погрешности компенсации температурного дрейфа был создан эталонный сигнал , в котором отсутствует составляющая смещения нуля.

,

где - модель сигнала ЭД;

- эталонный сигнал.

Результатом работы алгоритма является компенсированный сигнал .

При моделировании , а .

На рисунках 5 и 6 представлены результаты моделирования и компенсации температурного дрейфа нуля датчиков для 100 случайных моделей сигнала, а так же график значений разности сигналов - .

температурный дрейф угловое отклонение

По представленным результатам видно, что КВТ, определенный в соответствии с алгоритмом, для каждой реализации практически совпадает с КВТ, используемым при формировании модели сигнала датчика. Результирующий компенсированный сигнал повторяет форму эталонного сигнала с максимальной погрешностью, не превышающей 0.2.

Заключение. В работе предложен алгоритм компенсации температурного дрейфа нуля электронный датчиков угловых отклонений, основанный на использовании преобразований Фурье с учетом данных от датчика температуры. Проведенное компьютерное моделирование показало, что максимальная погрешность компенсации температурного дрейфа не превышает значения 0.2.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.В. Цодокова, С.В. Гайворонский, С.М. Тарасов, Е.В. Русин. Определение астрономических координат автоматизированным зенитным телескопом // Навигация и управление движением. Материалы докладов XVI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2015 - с. …

2. WYLER AG, Switzerland - Inclination Measuring Instruments and Inclination Measuring Sensors. - Режим доступа: http://www.wylerag.com/en/products/inclination-measuring-sensors/digital-inclination-sensors/inclination-sensors-zerotronic/ - 10.02.2015.

Размещено на Allbest.ru