Содержание общие вопросы метрологического обеспечения измерительных систем 9 Брюханов В. А. 9

Вид материала

Доклад

Содержание Способ снижения температурной погрешностиоптических датчиков S суммарного сигнала U Пивкин А.Г.

Подобный материал:

• Вопросы по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» для подготовки, 69.28kb.
• Организационной основой метрологического обеспечения ОАО «Теплоприбор» является Центр, 31.48kb.
• Совершенствование метрологического обеспечения инклинометрии нефтегазовых скважин 25., 254.4kb.
• Решение IX семинара по вопросам метрологического обеспечения топографо-геодезического, 201.85kb.
• Эталонный комплекс для метрологического обеспечения акустических измерений в твердом, 58.45kb.
• Экзаменационные вопросы по дисциплине «Измерительная техника», 40.7kb.
• Методика приемки из наладки в эксплуатацию измерительных каналов информационно-измерительных, 235.63kb.
• Отдел метрологического обеспечения измерений физико-химических величин, 18.17kb.
• Рабочая программа дисциплины мерительные устройства систем управления, 448.87kb.
• Анализ и синтез измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных, 675kb.

Способ снижения температурной погрешности
оптических датчиков

Для измерений различных механических величин в жестких условиях ракетно-космической техники широко используют оптические методы. Существенным недостатком многих оптических датчиков (ОД) является зависимость мощности источников излучения (ИИ), интегральной чувствительности и внутреннего сопротивления приемников излучения (ПИ) от температуры [1]. Так, например, у серийно выпускаемых светодиодов типа 3Л107Б излучающая способность может меняться в интервале температур  50 С на 20–30 %, а у фотодиодов ФД-19КК, ФД 20-32К, КФДМ разброс по чувствительности может достигать 10–15 %. Подобный разброс энергетических характеристик приводит к значительным температурным погрешностям (от 10 до 50 %), если не принять специальных мер для их снижения.

Использование амплитудно-фазового способа преобразования сигналов дает возможность снизить температурную погрешность оптических датчиков, если в основу их принципа действия положен компенсационный метод [2, 3]. На рис. 1 приведена наиболее общая структурная схема такого датчика, а на рис. 2 векторная диаграмма сигналов, поясняющая амплитудно-фазовое преобразования сигналов. Отличительной особенностью предложенной схемы ОД является наличие дополнительного компенсационного канала. Рефлексометрический измерительный преобразователь (РИП) датчика с компенсационным каналом представляет собой приемо-передающую оптическую систему, состоящую из ИИ и ПИ: рабочего (РПИ) и компенсационного (КПИ).

Световой поток ИИ модулируется синусоидальным напряжением U низкой частоты генератора (Г). Световой поток, отраженный от диффузной поверхности, изменяющей свое положение в соответствии с изменением измеряемой физической величины Х, поступает на РПИ, где преобразуется в электрический сигнал U_р(Х). Часть светового потока ИИ поступает непосредственно на КПИ, где преобразуется в постоянный электрический сигнал U_К.

Сигналы U_р(Х) и U_К подвергаются определенному масштабированию до уровней U₁(Х) и U₂ на масштабных преобразователях МП1 и МП2 соответственно, и сдвигаются с помощью фазосдвигающей цепи Фц на угол φ₁₂ относительно друг друга.



Рис. 1. Обобщенная структурная схема ОД




Рис. 2. Векторная диаграмма сигналов ОД
при амплитудно-фазовом преобразовании сигналов

Зависимость выходного сигнала ОД – фазы φ суммарного сигнала U_(Х) от контролируемого параметра Х: φ=f(Х) имеет вид:

, (1)

где К_РПИ(Х), К_КПИ – коэффициенты использования светового потока РПИ и КПИ соответственно; K_МП1, K_МП2 – коэффициенты масштабирования МП1 и МП2 соответственно; K_Фц – коэффициент передачи Фц; S_В1, S_В2 – вольтовые чувствительности РПИ и КПИ соответственно.

Под влиянием изменения температуры окружающей среды изменяются электрические параметры и параметры конструкции датчика, что приводит к возникновению дополнительной температурной погрешности преобразования:

,

где , _t – угол сдвига фазы выходного суммарного сигнала при температуре t₀, принятой за номинальную, температуре t=t₀+t соответственно; t – диапазон изменений температуры окружающей среды; _t – изменение угла сдвига фазы выходного сигнала при изменении температуры в диапазоне t; _max, _min – угол сдвига фазы выходного сигнала, соответствующий максимальному и минимальному значениям измеряемого параметра.

Основными элементами, изменение которых ведет к возникновению температурной погрешности, являются ИИ, ПИ и измерительная схема (ИС). Тогда с достаточной для инженерных расчетов точностью можно записать:

, (2)

где , , – абсолютные температурные погрешности, обусловленные изменениями параметров ИИ, ПИ и ИС соответственно.

При изменении температуры окружающей среды изменяются мощность излучения ИИ и интегральная чувствительность ПИ, то есть , .

При этом выражение (2) примет вид:

, (3)

где , – погрешности измерений, обусловленные изменением мощности излучения ИИ и интегральной чувствительности ПИ соответственно.

Для того, чтобы дать оценку составляющим формулы (3), необходимо обратиться к выражению (1), вывод которого приведен в статье [4]. Анализ выражения (1) показывает, что изменение мощности ИИ, обусловленное изменением температуры окружающей среды, практически не влияет на выходной сигнал ОД, если фототоки, протекающие через сопротивления нагрузки РПИ и КПИ, линейно зависят от светового потока. Это объясняется тем, что изменение мощности излучения ИИ ведет к изменению начального светового потока на некоторое значение, то есть ,где – световой поток ИИ с учетом дополнительного светового потока, обусловленного изменением мощности излучения ИИ; – дополнительный световой поток ИИ, обусловленный изменением мощности излучения ИИ. Сигналы U₁(X) и U₂ примут соответственно значения U_1Р(X) и U_2Р, определяемые выражениями (4) и (5) (рис. 3, а):

, (4)

. (5)

Тогда фаза  суммарного сигнала U_Р относительно фазы сигнала U_2Р при изменении мощности излучения ИИ определится как

, (6)

или

, (7)

где

.

Коэффициент K_РПИ(Х) не вносит дополнительной температурной погрешности, так как основные параметры, определяющие данный коэффициент, относятся к конструктивным, которые практически остаются неизменными при изменении температуры окружающей среды в диапазоне  50 С [4].

Возможно появление погрешности при изменении коэффициентов К_МП1, K_МП2, K_Фц. Влияние изменения параметров измерительной схемы К_МП1, K_МП2, K_Фц на точность измерений достаточно полно освещено в литературе [5, 6], поэтому с учетом указанных источников с достаточной точностью можно принять при изменении температуры в диапазоне  50 С К_МП1=K_МП21 % для операционного усилителя [6], K_Фц0,5 % для RC-цепей [5]. Так как коэффициенты К_МП1 и K_МП2 в выражении (6) находятся в отношении, то с достаточной для инженерных расчетов точностью можно считать, что изменение значения коэффициента K не превысит 1%. Непропорциональные изменения S_В1, S_В2 при изменении температуры окружающей среды приведут к дополнительной температурной погрешности (рис. 3, а).

Данные рассуждения справедливы и для случая, когда используется несколько ИИ и КПИ, так как на РПИ поступает усредненный по мощности световой поток [3].

Пример 1. Определить температурную погрешность ОЭД, структурная схема которого приведена на рис. 1. Рассматривается наихудший вариант, когда мощность ИИ увеличивается на максимально возможное значение – на 30 % (для светодиодов типа 3Л107 Б), а параметр φ₁₂ и значение сигнала U₂ найдены для экспериментальной зависимости, приведенной на рис. 4, методом постепенного приближения. Определено, что максимальная температурная погрешность, определенная по максимальному отклонению, для ОЭД c компенсационным каналом равна 0,43 %, что в 28 раз меньше, чем в ОЭД без компенсационного канала.

Так как возможно появление погрешности при изменении коэффициентов К_МП1, K_МП2, K_Фц, то целесообразно элементы МП2 и Фц отнести из зоны воздействия дестабилизирующих факторов в более благоприятные условия. МП1 должен быть расположен в корпусе датчика, так как он выполняет роль усилителя сигнала малого уровня U_P(X), передача которого без предварительного усиления по электрическому кабелю не представляется возможным.

Так как непропорциональные изменения S_В1, S_В2 при изменении температуры окружающей среды ведут к дополнительной температурной погрешности, то целесообразно использовать ПИ одного типа, у которых знак ухода чувствительности одинаков, что ведет к частичной температурной компенсации. На рис. 3 приведена векторная диаграмма, поясняющая способ компенсации температурной погрешности при амплитудно-фазовом преобразовании сигналов, когда S_В1=S_В2.

Анализ выражения (7) показывает, что точность измерений параметра φ зависит от соотношения интегральных фоточувствительностей S_В1 и S_В2 РПИ и КПИ. На практике разброс интегральной фоточувствительности от образца к образцу достигает 10–15 %, из-за чего для практических схем подобрать фотоприемники с одинаковой чувствительностью невозможно, а также нецелесообразно. Поэтому изменение чувствительности РПИ и КПИ при изменении температуры приведет к дополнительной погрешности измерения.

Предлагается способ температурной компенсации при непропорциональных изменениях S_В1, S_В2, когда S_В1S_В2.

Вначале рассмотрим случай, когда при изменении температуры окружающей среды мощность ИИ не изменяется, а интегральные фоточувствительности РПИ и КПИ изменяются неравнопропорционально, то есть S_1S= К_1SS_В1, S_2S= К_2SS_В2, где К_1S, К_2S – коэффициенты пропорциональности ухода чувствительности РПИ и КПИ соответственно. Тогда сигналы U₁(X) и U₂ примут соответственно значения U_1S(X) и U_2S, определяемые выражениями (8) и (9) (рис. 3, а):

, (8)

, (9)

В этом случае фаза φ _S суммарного сигнала U_S относительно фазы сигнала U_2S при изменении чувствительности фотоприемников определится как

, (10)

Так как К_1S ¹ К_2S , то φ ¹ φ_S.

Таким образом, неравнопропорциональные изменения интегральных фоточувствительностей РПИ и КПИ при неизменной мощности излучения ИИ приведут к температурной погрешности φ_S =φ–φ_S, определяемой выражением (11):

.

П
(11)
ример 2. Определить температурную погрешность ОЭД, структурная схема которого соответствует, приведенной на рис. 1. Рассматривается вариант, когда мощность ИИ не меняется, а интегральная чувствительность одного из ПИ (например, РПИ) увеличивается на максимально возможное значение (на 15 %), а другого – КПИ – остается неизменной. Остальные параметры соответствуют параметрам, приведенным в примере 1. Определено, что приведенная температурная погрешность для рассмотренного случая равна 6,9 %.



На практике при изменении температуры изменяется чувствительность как РПИ, так и КПИ, причем, как правило, для конкретного датчика используют фотоприемники одного типа. Поэтому чувствительность у них уходит в одну сторону, то есть происходит некоторая температурная компенсация, и φ_S несколько меньше, чем в случае, рассмотренном в примере 2.

В вышеприведенных рассуждениях было сделано предположение, что освещенность РПИ и КПИ незначительна, поэтому фототок, протекающий через сопротивление нагрузки, линейно зависит от светового потока. В действительности же данное предположение справедливо для РПИ, на которые поступает отраженный световой поток, поэтому их освещенность незначительна. Освещенность же КПИ значительно больше, так как его располагают в непосредственной близости от ИИ (с целью исключения дополнительного усиления). Поэтому между фототоком и световым потоком существует некоторая нелинейная зависимость, то есть при изменении светового потока ИИ на значение ±Ф справедливо

, (12)

где – некоторая нелинейная функция, зависящая от светового потока ИИ.

Тогда

, (13)

то есть при изменении мощности излучения ИИ при К_1S ¹ К_2S появится погрешность φ_Р=φ–φ_Р, определяемая выражением (14) (рис. 4):


(14)


To обстоятельство, что при изменении температуры окружающей среды появятся погрешности φ_Р и φ_S, положено в основу следующего способа температурной компенсации.

С целью уменьшения температурной погрешности необходимо, чтобы φ_Р = –φ_S, то есть изменения фазы φ суммарного сигнала U_(Х), вызванные изменением мощности излучения источника излучения и изменением фоточувствительности приемников излучения, были взаимно скомпенсированы (рис. 4, б).



С учетом выражений (10) и (13) можно записать

.

О
(15)
ткуда для полной температурной компенсации должно выполняться равенство

.

Указанное равенство возможно в том случае, если при изменении температуры окружающей среды мощность излучения ИИ и отношение изменения фоточувствительностей ПИ будут изменяться в противоположные стороны, например, при увеличении температуры окружающей среды мощность ИИ увеличится, а отношение фоточувствительностей ПИ уменьшится. Подобного равенства можно добиться путем изменения соотношения количества РПИ и КПИ, а также путем изменения положения КПИ относительно ИИ (например, приближая их к ИИ или, наоборот, удаляя).

Таким образом, учитывая вышеприведенные рассуждения, с точки зрения повышения точности измерения предпочтительно в качестве опорного сигнала брать компенсационный сигнал U₂.

Если датчик построен по схеме, приведенной в работе [3], то для полной температурной компенсации необходимо, что выполнялось условие (16):



В
(16)
се вышеприведенные рассуждения для данного случая справедливы.

Таким образом, снижения температурной погрешности ОД можно добиться следующим образом:

– применением амплитудно-фазового преобразования сигналов,

– введением в ОД дополнительного компенсационного канала,

– при использовании РПИ и КПИ одного типа,

– путем изменения количественного соотношения ИИ и ПИ,

– изменением положения КПИ относительно ИИ.

Новый способ температурной компенсации позволит снизить температурную погрешность до 1–2 %.

Литература

1 Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

2 Патент РФ № 1260664, МПК⁶ G 01 В 7/00. Способ преобразования перемещение-фаза /Опубл. 30.09.86, Бюл. № 36.

3 Бадеев А.В., Мурашкина Т.И. Оптоэлектронный датчик перемещений // Датчики и системы, 2003, №5. – С.30–32.

4 Бадеев А.В. Математическая модель функции преобразования оптоэлектронного датчика перемещений // Датчики систем измерения, контроля, и управления: Межвуз. сб. науч. тр. – вып.23 (2003) – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та., 2003. – С. 126–132.

5 Колтик Е.Д Фазосдвигающие устройства. – М.: Изд-во стандартов. – 1981.

6 Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. – М.: Сов. радио, 1979.

Авторы

Бадеев Александр Валентинович – аспирант кафедры Приборостроение Пензенского государственного университета

Мурашкина Татьяна Ивановна – д.т.н., профессор кафедры Приборостроение Пензенского Государственного университета.

Серебряков Дмитрий Иванович – аспирант кафедры Приборостроение Пензенского государственного университета

Россия, 440026, Пенза, ул. Красная, 40.

Тел. (841-2) 56-06-96.


Пивкин Александр Григорьевич – генеральный директор ОАО “НИИ Вычислительной техники”, ООО “НИИВТ-РУСИЧИ-ФАРМА”, к.т.н.

Россия, 440026, Пенза, ул. Лермонтова, 3.

Тел. (841-2) 55-20-47, факс (841-2) 55-19-03

Пивкин А.Г.