автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и оптико-электронное средство контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи

На правах рукописи

Воронов Александр Сергеевич

Метод и оптико-электронное средство контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 2007

003068231

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И.Ползунова

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Пронин Сергей Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Якунин Алексей Григорьевич

кандидат физико-математических наук, доцент Егоров Александр Владимирович

Ведущая организация:

Новосибирский государственный технический университет

(г. Новосибирск)

Защита диссертации состоится 3 мая 2007 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 212.004.06 Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, Алтайский край, г. Барнаул, пр. Ленина,46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова.

Автореферат разослан 3 апреля 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

¿К-

С.П. Пронин

Общая характеристика диссертационной работы

Актуальность темы. На современном этапе развития технологичесгах процессов в различных отраслях промышленности возрастает потребность в конструктивно простых, экономичных, высокочувствительных датчиках, способных надежно функционировать в жестких производственных условиях при наличии высоких температур, сильных механических и химических воздействий. К настоящему времени у нас в стране и за рубежом нашли широкое применение электромеханические первичные преобразователи физических величин с пьезоэлектрическим возбуждением, характеризующиеся хорошими массога-баритными, метрологическими, эксплуатационными и экономическими показателями. Отдельно выделяется перспективное направление пьезорезонансных датчиков, обладающих, помимо перечисленных достоинств, максимально высокой чувствительностью, избирательностью, отказоустойчивостью. Однако, малейшие погрешности при их изготовлении приводят к существенному изменению эксплуатационных параметров. Следовательно, контроль качества пьезорезонансных датчиков является актуальной задачей. Контроль необходим как на этапе производства пьезоэлектрических резонаторов, используемых в пьезорезонансных датчиках, так и на этапе проектирования и производства самих датчиков. Для обеспечения соответствующего контроля производители используют определенный набор параметров, включающий добротность, резонансные частоты, материальные константы, коэффициенты электромеханической связи и параметры эквивалентной электрической схемы замещения. Однако, этот набор не позволяет однозначно описать работу пьезорезонансного датчика, так как характеризует лишь его упрощенную математическую модель. Погрешность аппроксимации реального датчика такой моделью достаточно высока. Эта систематическая погрешность снижает эффективность контроля качества и ухудшает технико-экономические показатели пьезорезонансных датчиков и приборов на их основе. Для решения этой проблемы в данной работе предлагается использовать в качестве основного параметра для контроля качества пьезорезонансных датчиков комплексный коэффициент передачи. Этот параметр представляет собой полную динамическую характеристику и устанавливает однозначную зависимость между электрическим сигналом, поданным на пьезоре-зонансный датчик, и колебанием его поверхности. Амплитуда колебаний поверхности пьезорезонансного датчика находится в диапазоне 10"9...10^ м. Анализ показал, что для измерения таких колебаний лучше всего подходят оптико-электронные средства. Однако существующие на сегодняшний день средства не адаптированы для измерения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков. Для повышения качества проектирования и эффективности разрабатываемых приборов на основе пьезорезонансных датчиков предложены

метод и оптико-электронное средство контроля качества по комплексному коэффициенту передачи.

Цель работы - разработка метода и оптико-электронного средства контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи для повышения качества проектирования и эффективности разрабатываемых приборов на их основе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие исследовательские задачи.

1. Выполнить аналитический обзор:

- параметров, используемых для контроля качества пьезорезонансных датчиков и обосновать необходимость применения комплексного коэффициента передачи;

- методов и средств, пригодных для определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков.

2. Провести моделирование метода и средства определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков.

3. Разработать экспериментальную установку для определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков, выполнить проверку результатов моделирования, оценить погрешность разработанной системы.

4. Разработать метод производственного контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи.

Объект исследования - метрологический процесс контроля качества пьезорезонансных датчиков.

Методы исследований. Для определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков использовались методы динамических измерений. Для обработки результатов экспериментов применялись методы цифровой обработки сигналов. При исследовании процессов, происходящих в измерительной системе, были использованы математическое и физическое моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработан метод контроля качества пьезорезонансных датчиков, в основу которого положено три критерия отличия регистрируемого комплексного коэффициента передачи от эталонного: максимальный модуль отклонения, дисперсия и коэффициент корреляции.

2. Впервые исследовано влияние соотношения геометрических размеров окна интегрального фотоприемника и параметров пространственного распределения интенсивности лазерного луча на выходной сигнал оптико-электронного измерительного преобразователя. Установлено оптимальное соотношение, при котором достигается максимальная чувствительность и линей-

ность выходного сигнала по отношению к перемещениям поверхности пьезо-резонансного датчика.

3. Впервые на базе методов цифровой обработки сигналов и в результате исследования экспериментальных данных разработан метод точного определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика с использованием дискретных резонаторов второго порядка.

4. Предложен и реализован алгоритм определения фазового сдвига, отличающийся от известных минимальными вычислительными затратами и повышенной помехозащищенностью.

5. Используя методы адаптивной фильтрации, предложена и реализована измерительная схема, позволяющая производить точные измерения при наличии сильных электрических помех.

Достоверность научных выводов и результатов диссертации обеспечивается: использованием обоснованных физических предпосылок при построении математических моделей; обеспечением представительности выборок при проведении измерений и применением статистических методов обработки экспериментальных данных; хорошим совпадением теоретических и экспериментальных результатов; использованием рекомендаций, изложенных в соответствующих государственных стандартах, при выполнении теоретических и экспериментальных исследований; использованием в качестве эталонного прибора интерферометра Майкельсона на основе полупроводникового лазера с длиной волны 655 нм НЬОРМ12-б55-5.

Практическая и теоретическая ценность. Предложенный метод контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициент передачи позволяет в полной мере учесть их динамические свойства и, следовательно, значительно повысить эффективность контроля. Разработанная оптико-электронная система для определения комплексного коэффициента передачи в производственных условиях отличается высокой точностью, помехозащищенностью, технологической простотой и низкой стоимостью. Результаты экспериментальных и теоретических исследований, а также полученная измерительная система могут быть использованы для повышения качества производства и метрологической аттестации пьезорезонансных датчиков, пьезоэлектрических резонаторов, пьезоизделий. Контроль может быть осуществлен в любой точке контролируемого объекта, что дает возможность исследовать распределение волнового поля в комбинированных системах: в системе излучатель - приемник, волноводах, концентраторах.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международной научно-технической конференции «Виртуальные и интеллектуальные системы ВИС - 2006», на научно-технических семинарах

кафедры «Автоматика и вычислительные системы» и кафедры «Информационные технологии» АлгГТУ.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в проектно-конструкторской деятельности на предприятии «Сибпромприбор-Аналит» при разработке измерительных приборов с пьезорезонансными датчиками в виде методических рекомендаций и технических предложений по выполнению конструктивных схем измерительного оборудования, предназначенного для контроля качества пьезорезонансных датчиков. Использование указанных результатов позволяет: повысить качество проектирования и эффективность разрабатываемых приборов на основе пьезорезонансных датчиков; сократить затраты на проведение опытно-конструкторских работ и натурных испытаний.

Публикации. По результатам диссертационной работы имеется 7 работ, в том числе 6 статей, из них одна статья в журнале, рекомендованном ВАК, одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Автором получены все теоретические и экспериментальные результаты, изложенные в диссертационной работе, написано программное обеспечение, рассчитаны и реализованы все узлы разработанной измерительной системы и предложен метод для контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи.

2. Математическая модель измерительной системы для контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи.

3. Аппаратно-программная реализация измерительной системы для контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи.

4. Метод компенсации влияния электрических помех с использованием адаптивной фильтрации.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения. Ее содержание изложено на 148 страницах, иллюстрировано 72 рисунками, 2 таблицами. Перечень используемой литературы составляет 107 наименований.

Содержание работы

Во введении к диссертации обоснована ее актуальность, сформулированы цели, задачи и методы исследований, научная новизна, основные положения,

выносимые на защиту, практическая значимость работы, отражены вопросы апробации и реализации полученных научных результатов. Приводится краткое содержание каждой из глав.

В первой главе «Аналитический обзор методов и средств контроля качества пьезорезонансных датчиков» приведен аналитический обзор существующих параметров, используемых для контроля качества пьезорезонансных датчиков. Было выявлено, что существующие параметры не в полной мере описывают работу реальных датчиков. Для расширения приводимых параметров, исходя из рекомендаций действующих стандартов, предложено использовать комплексный коэффициент передачи пьезорезонансного датчика, измеряемый по микроперемещениям его поверхности. В результате анализа существующих методов и средств измерения микроперемещений были выбраны триангуляционные и пространственно-модуляционные методы и средства. Исходя из результатов анализа, полученных в первой главе, были поставлены задачи диссертационных исследований.

Рисунок 1 - Преобразование «напряжение - перемещение»

Пусть на пьезоэлектрический резонатор (ПР) подано напряжение AU(t), тогда его поверхность будет совершать колебания вдоль оси у по некоторому закону Ah(t) (рисунок 1). В случае, если амплитуда поданного на ПР напряжения меньше напряжения насыщения и внешние влияющие факторы неизменны (температура, давление и т.д.), пьезоэлектрический резонатор, как преобразователь "напряжение-перемещение", представляет собой линейную, стационарную систему. Следовательно, если AU(t) представляет собой гармоническое колебание с неизменной частотой а вида AU(t)=ks\i\(a>t+ср), то будет иметь место равенство: Ah(t)=gAAsm(a)t+<p±g^, где постоянные коэффициенты, которые зависят от направления и частоты поданного напряжения. Зададим одно направление колебаний в ПР - ось у. Напряжение, подаваемое на ПР, приложено в том же направлении. В таком случае gA и будут зависеть только от частоты и могут быть записаны в виде формул:

ЛУ +

AU(t)

ПР

>

О

х

О)

Формулы (1) определяют комплексный коэффициент передачи (ККП) С (а) ПР. Спектральная функция колебаний поверхности ПР Н(т) в таком случае полностью определяется спектральной функцией поданного на него напряжения и ККП:

Н(а) = й(т)Ь(0).

Спектральную функцию И (а) можно найти, применив прямое преобразование Фурье к функции колебаний пьезоэлемента от времени ЩО:

Н(а>)= ]дА(/)е--",Л. (2)

—«С

Аналогично определяется функция и (а):

и(ю)= (3)

-ее

где Ли(0 - функция напряжения, поданного на ПР, от времени.

Таким образом, комплексный коэффициент передачи ПР может бьггь найден

как:

во *

и (о) \Ьи(1)е-'"с11

= М = --. (4)

Формула (4) содержит общий принцип вычисления комплексного коэффициента передачи пьезорезонаторов и пьезорезонансных датчиков (ПРД). Метод, реализующий определение комплексного коэффициента передачи по формуле (4), подразумевает подачу на ПРД известного сигнала Да(/) и съем с него функции колебаний ДА (/).

На практике Ь(со) измеряется в одной точке и только для заранее определенного дискретного набора частот, при этом количество частот должно быть максимальным. Сигнал Ди(/), подаваемый на пьезорезонансный датчик, представляет собой сумму гармоник с одинаковой амплитудой, частоты которых определяют частотный диапазон ¿(о). Однако чем больше гармоник в сигнале Дм(0, тем больше суммарная амплитуда сигнала, при этом максимальная амплитуда ограничена напряжением насыщения пьезорезонансного датчика. Следовательно, количество анализируемых частот напрямую зависит от максимально допустимой амплитуды напряжения, подаваемого на пьезорезонансный датчик, и минимально анализируемой амплитуды колебаний его поверхности. Чем меньше минимально регистрируемая амплитуда колебаний ДА(')> тем

больше частот может быть использовано для измерения ¿(о).

Необходимость точного измерения ДЛ(г) для определения С(а>) обосновывает актуальность рассмотрения и усовершенствования методов и средств измерения микроперемещений, пригодных для определения ККП пьезорезонансных датчиков.

Во второй главе «Разработка метода определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика» произведено моделирование оптико-электронной системы для определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков. Первая часть второй главы посвящена исследованию влияния соотношения размеров окна фотоприемного устройства и пространственного распределения интенсивности лазерного луча на выходной сигнал оптико-электронного измерительного преобразователя. Во второй части рассматриваются алгоритмы определения комплексного коэффициента передачи. В третьей части произведен анализ процесса измерения разности фаз сигналов и рассмотрены алгоритмы восстановления фазо-частотной характеристики.

На рисунке 2 изображена блок-схема оптико-электронного преобразователя, который позволяет устранить недостатки триангуляционного и пространственно - модуляционного методов. Недостаток триангуляционного метода заключается в сложной схеме преобразования сигнала, поскольку используется многоэлементный фотоприемник. Недостаток пространственно-модуляционного метода - наличие узкой диафрагмы, которая, во-первых, снижает соотношение сигнал/шум, во-вторых, усложняет юстировку. На рисунке 2 изображены: 1 -лазер; 2 - фотоприёмное устройство (ФПУ); 3 - зеркальная поверхность; 4 -пьезорезонансный датчик; 5 - измерительный блок, включающий ЭВМ.

Предложенный измерительный преобразователь лишен недостатков, выявленных у триангуляционного и пространственно-модуляционного методов. В нем содержится минимум оптических элементов, а в качестве фотоприемника используется один интегральный элемент - фотодиод. Моделирование оптико-электронного преобразователя двумя разными методами показало, что максимальная чувствительность и линейность зависимости сигнала на выходе фотоприемного устройства от колебания поверхности пьезорезонансного датчика обеспечивается прямоугольным окном фотоприемника с размерами (Зох)х(6оу), где ох и ау - размеры лазерного луча по соответствующим осям и уровню 0,606 от максимальной интенсивности. Начальная юстировка производится следующим образом: граница окна фотоприемника по оси х располагается в точке максимальной интенсивности лазерного луча, при этом точка максимальной интенсивности по оси у должна приходиться на середину окна. При указанных размерах окна фотоприемника погрешность начальной установки может лежать в пределах ±0,5<г„ ±0,5оу по осям хну соответственно, что обеспечивает относительную систематическую погрешность выходного сигнала не более 2%.

При выполнении указанных условий выходной сигнал оптико-электронного преобразователя (фототок фотодиода) в зависимости от положения поверхности пьезорезонансного датчика от времени может быть записан в виде формулы:

(5)

где в = —-—, у/ =--.,;7 - постоянные коэффициенты, не зависящие

2 жоха„ сг,аучт(а){2т:)п

от времени (эти коэффициенты могут быть определены опытным путем), ц -постоянный коэффициент пропорциональности между интегральной освещенностью и фототоком фотодиода, ДА(<) - смещение во времени поверхности пьезорезонансного датчика, а - угол падения лазерного луча.

Из формулы (5) видно, что преобразование колебаний пьезоэлемента в электрический сигнал на выходе ФПУ происходит по линейному закону.

Формула (4) содержит общий принцип вычисления комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика. Для практической реализации формулы (4) предложена оптико-электронная система, блок - схема которой представлена на рисунке 3. На рисунке отражены следующие характеристики: ■^(а»). - спектры сигналов на выходе ЦАП1 и ЦАП2; ¿,(0), (а) -

спектры сигналов на входе АЦП1 и АЦП2; ф'^М - комплексный ко-

эффициент передачи фильтров на выходе ЦАП1 и ЦАП2; Фы(в>), Фк2(а>) - комплексный коэффициент передачи фильтров на входе АЦП1 и АЦП2; С{а) -

комплексный коэффициент передачи пьезорезонансного датчика; Ь(а>) - комплексный коэффициент передачи оптико-электронного преобразователя.

Рисунок 3 - Блок - схема оптико-электронной системы

Такая система удобна при использовании АЦП с фильтром на входе и ЦАП с фильтром на выходе. Два идентичных канала позволяют избежать дополнительных вычислений за счет компенсации характеристик АЦП, ЦАП и соответствующих фильтров.

Согласно рисунку 3 вычисление комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика выглядит следующим образом:

0 • • • ¿(0)= ^(Д) 5па2(а)0т1(в>)0„1(д}) ^

Поскольку сигнал на выходе обоих каналов одинаков 5„,(й>)=5'^2(й») и со-

• • • ♦

ответствующие фильтры идентичны 0^(о>)=Ф„г(ш), 0ы(а)=Ф„г(т), то формула (6) упрощается:

¿Ю-гЙ*— (7)

5„2(Й>)0(Й>)

Оптическая составляющая Ь(а) в формуле (7) характеризует инертность оптико-электронного преобразователя. Если на интересующем нас диапазоне частот О(о) * 1, что было доказано при моделировании, то имеет место безинерци-онный оптико-электронный преобразователь:

= (8)

Формула (8) является базовой формулой для вычисления ККП пьезорезонансного датчика с использованием предложенной измерительной системы. Как говорилось ранее, (е>), 5„,(<г>) - комплексные спектры сигнала на входе АЦП1 и

АЦП2, однако на практике мы имеем дело с временным а не спектральным представлением, что обуславливает необходимость алгоритмического обеспечения, позволяющего восстановить амплитудный и фазовый спектры, как составляющие комплексного спектра сигнала.

Классическим методом, позволяющим осуществить переход от временной к частотной области, является использование прямого дискретного преобразование Фурье (ДПФ). Условия, которым должен удовлетворять выходной сигнал, пригодный для последующего преобразования в измерительной системе и анализа при помощи прямого ДПФ формулируются следующим образом. Сигнал должен быть вида:

= (9)

где / - количество гармоник, 77 - период каждой гармоники в отсчетах, кратный количеству отсчетов входного сигнала К - Т,- —, с1=1...К Для точного

ы

восстановление спектра с малым шагом по частоте необходимо использовать достаточно длинную выборку сигнала, с многократным прямым ДПФ этой выборки, выборки размера ЛГ-1, выборки размера К-2 ... и т.д. Такой подход с одной стороны позволяет избежать эффекта растекания спектра, с другой исключает главное преимущество ДПФ, достигнутое на сегодняшний день - скорость. Это объясняется тем, что размер выборки переменный и не всегда может быть кратен степени 2, что не позволяет использовать быстрое преобразование Фурье. Правда, существуют модификации БПФ для разных размеров выборки: степени 2, степени 3, четного числа, нечетного числа и т.д., тем не менее, даже с использованием этих алгоритмов остается проблема многократного их применения на одну и туже выборку уменьшающегося размера. Если предположить, что количество операций для каждой выборки будет такое же, что и для выборки, размер которой кратен степени 2, то общее количество операций для выборки размером К будет определяться как:

О = £/1о82(0- (Ю)

м

Используя формулу (10) для относительно небольшого размера выборки в 1024 отсчета, получим около пяти миллионов операций. Такой результат позволяет сделать два важных вывода.

1. Если требования к шагу по частоте низкие и укладываются в требования к формуле (9) либо необходимо получить только амплитудный спектр, то прямое ДПФ может быть рекомендовано для анализа.

2. В случае невозможности выполнения условий к формуле (9), необходимо использовать другие алгоритмы, позволяющие измерить спектр сигнала.

Рисунок 4 - Метод измерения на основе ДРВП

Для измерения амплитудной и фазовой составляющих спектра предложен метод с использованием дискретных резонаторов второго порядка (ДРВП), изображенный на рисунке 4. Гармонические сигналы, сформированные на входе измерительной системы и характеризующиеся амплитудами (Аьи1> Лвшг, ••• , Лил) и фазами {д>вых\, <рвых2, ■■■ , ÍW\), поступают на сумматор и формируют тестовый сигнал seux(t). Тестовый сигнал проходит через измерительный преобразователь, на выходе которого регистрируется анализируемый сигнал s„(t). В блоке дискретных резонаторов второго порядка каждый резонатор (ДРВП 1, ДРВП 2, ... , ДРВП N) настроен на соответствующую частоту одной из гармоник - (©i, й>г,..., ü>n). Блок ДРВП разделяет сигнал на гармоники, каждая из которых поступает на амплитудный детектор (АД) и фазовый детектор (ФД). На выходе АД и ФД регистрируются амплитудные составляющие (АюЛт2, ■•• . Л„м) и фазовые составляющие (<г>„ь <раг, ■■■ , %in) гармоник. Таким образом, происходит восстановление спектра анализируемого сигнала.

Описанный метод устраняет главный недостаток дискретного преобразования Фурье - жесткую сетку частот. Частоты, которые могут анализироваться этим методом, ограниченны только частотой дискретизации. При этом количество требуемых операций, при прочих равных условиях, оценивается как N2,

что в сравнении с формулой (10) более оптимально, например, для выборки в 1024 элемента - порядка миллиона операций.

Учтем, что в соответствие с рисунком 3 происходит двухканальная регистрация сигнала. Тогда амплитудное детектирование и фазовое детектирование на рисунке 4 для одной гармоники осуществляется следующим образом. Амплитуда вычисляется по формуле:

(П)

где sicpMOd - усреднение по модулю:

1 *

S1 ерша) ~~7rTlkl (*)!»

Л 1.1

i,-сигнал на выходе ДРВП для первого канала, А,- амплитуда соответствующей гармоники для первого канала, для второго канала амплитуда вычисляется аналогично. Фазовое детектирование осуществляется по формуле:

<pl—<pl= arctan

{.

SIS2 SicpMod

(12)

где ii - сигнал, прошедший через ПРД и зарегистрированный оптико-электронным преобразователем (первый канал), s2 - тестовый, образцовый сигнал (второй канал), s3 - также образцовый сигнал, смещенный по фазе на я/2 по отношению к s2. Сигнал s} может быть получен из s2 линией задержки либо преобразованием Гилберта.

Формула (12) позволяет точно восстановить разность фаз в пределах диапазона ±я/2. В случае измерения непрерывной фазовой функции формула (12) отличается тем, что за пределами диапазона ±я/2 дает правильное направление изменения фазы с начальным скачком на я/2, что позволяет корректно определять искомую фазовую функцию.

В третьей главе «Разработка экспериментальной оптико-электронной системы определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика» разработана оптико-электронная система для определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика. Приведены данные экспериментальной проверки результатов моделирования, определена погрешность полученной системы, проведены эксперименты по определению комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков.

Создана модель схемы измерительного преобразователя в программной среде Electronics Workbench, произведено моделирование динамических характеристик схемы и выполнен анализ влияния на динамические характеристики разброса номиналов элементов. Установлены элементы, оказывающие наибольшее влияние на выходной сигнал. На эти элементы выбран допуск - 1%, допуск на остальные элементы составляет 20%. Эта рекомендация обеспечивает

систематическую погрешность устройства для измерения комплексного коэффициента передачи не более 1,5%.

Для экспериментального определения зависимости амплитуды измеряемого сигнала от размеров окна ФПУ при помощи денситометра были определены параметры пространственного распределения интенсивности лазерного излучения: <т,=1,5 мм и «г, =0,9 мм. В качестве объекта измерения был использован

пьезоэлектрический резонатор ЗПЗ. При помощи разработанной измерительной системы и программного обеспечения, а также программной среды \latLab был сгенерирован тестовый сигнал (синусоида с частотой 2298 Гц) и обработаны результаты измерений. Амплитуда измеренного сигнала была нормализована. Результаты измерений представлены на рисунке 5. Относительная погрешность измерений составила в среднем 1,5%. Пунктирной линией обозначены результаты моделирования для соответствующих размеров. Из рисунков видно, что экспериментальные данные достаточно мало отличаются от модели, что позволяет использовать на практике результаты моделирования.

а Ь

Рисунок 5 - Зависимость амплитуды измеренного сигнала от размеров окна ФПУ: а - зависимость от размера а; б - зависимость от размера Ь

При экспериментальных исследованиях в качестве эталонного прибора для калибровки был использован интерферометр Майкельсона на основе лазера с длиной волны 655 нм. Погрешность эталонного прибора составляет 164 нм. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что погрешность разработанной измерительной системы не выше погрешности эталонного прибора. Расчетная погрешность составляет 10 нм. Следовательно, основной вклад в погрешность разработанной системы вносит систематическая погрешность калибровки. С учетом экспериментальных результатов и теоретических расчетов погрешность измерительной системы принята равной 0,2 мкм.

В соответствие с рекомендациями, приведенными во второй главе, были проведены измерения комплексного коэффициента переда для трех пьезоэлек-

трических резонаторов ЗПЗ. Для этого на каждый ПР подавался тестовый сигнал, состоящий из 150 частот в диапазоне от 600 Гц до 5000 Гц с шагом в 43 Гц. Время тестового сигнала составляло одну секунду. Шаг по частоте был выбран исходя из паспортных данных ПР, гарантирующих отклонение резонансной частоты не более 50 Гц от указанной. Для получения шага по частоте 43 Гц, с учетом частоты дискретизации 44100 Гц, необходимо 1024 отсчета сигнала. Ответный сигнал подвергался прямому дискретному преобразованию Фурье для получения комплексного коэффициента передачи. Размер сигнала позволил осуществить усреднение на каждой частоте по 43 элементам, что практически полностью устранило шумы. Результаты измерений в виде нормализованной АЧХ и ФЧХ представлены на рисунке 6. Видно, что ПР имеют существенный разброс характеристик, при этом сохраняется соответствие паспортным данным.

Рисунок 6 - АЧХ и ФЧХ для трех элементов ЗПЗ

Многократные измерения показали высокую стабильность во времени АЧХ, получаемой при помощи ДПФ. Однако ФЧХ, получаемая этим же методом, значительно менее стабильна. Периодически на фоне многократно усредненной условно-стабильной характеристики, представленной на рисунке, ФЧХ приобретает случайный характер. АЧХ и ФЧХ, получаемые набором ДРВП для тех же условий, отличаются высокой стабильностью. Предположительно, причиной, вызывающей нестабильность ФЧХ, получаемой методом ДПФ, является шумовая составляющая сигнала.

В результате алгоритм, использующий ДПФ, может быть рекомендован для быстрой оценки ККП во всем диапазоне частот с относительно большим ша-

гом, главным образом, в силу быстродействия этого алгоритма. Ценой быстродействия и большого диапазона частот является большой шаг по частоте и высокая вероятность неопределенности ФЧХ. В случае необходимости точного получения ККП в узком частотном диапазоне рекомендуется использовать набор ДРВП.

В четвертой главе «Разработка производственного метода контроля качества пьезорезоиансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи» произведена адаптация экспериментальной оптико-электронной измерительной системы для производственного контроля качества пьезорезоиансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи. Определены основные факторы, влияющие на результат измерения. Для этих факторов разработаны методы уменьшения влияния на выходной сигнал. Разработан метод контроля качества пьезорезоиансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи.

Установлено, что наибольшее влияние на погрешность разработанной измерительной системы оказывают следующие факторы: электрические помехи; вибрации фундамента; переменная составляющая фоновой засветки.

Рисунок 7 - Схема измерительной системы с набором ДРВП

Для уменьшения влияния указанных факторов на выходной сигнал измерительной системы до уровня документированной погрешности предложены следующие методы. Для уменьшения влияния вибрации фундамента использована схема двухслойной сейсмической изоляции. Для уменьшения влияния переменной составляющей фоновой засветки предложено использовать дифференциальную схему включения фотоэлектронных преобразователей. Для уменьшения влияния электрических помех разработаны две измерительные схемы. Схему, основанную на линейной фильтрации при помощи набора дискретных резонаторов второго порядка, рекомендуется использовать в случае, если доля шума в сигнале менее 30%. Эта схема содержит минимум оптических элементов и проста в юстировке (рисунок 7). В случае зашумления сигнала более чем на 30%, рекомендуется использовать схему, основанную на адаптивной фильтрации по алгоритму RLS (рисунок 8). На рисунках 7 и 8 отсутствуют ЦАП и

АЦП, которые подразумеваются при формировании и приеме электрического сигнала.

Рисунок 8 - Схема измерительной системы с адаптивным фильтром RLS

Схема, изображенная на рисунке 8, работает следующим образом. Оптический сигнал при помощи светоделительной пластинки делится на две части. Одна часть попадает через фокусирующую линзу на первое фотоприемное устройство ФПУ1, размеры окна которого позволяют регистрировать весь отраженный от пьезодатчика поток излучения. Вторая часть оптического сигнала попадает на второе фотоприемное устройство ФПУ2, окно которого имеет оптимальные размеры для выделения переменной составляющей излучения. Таким образом на выходе ФПУ1 будет присутствовать только шумовая составляющая сигнала (оценка шума), в то время как на выходе ФПУ2 будет присутствовать шум совместно с полезным сигналом. Шумовая составляющая сигнала и оценка шума будут коррелированны, так как электрический шум будет оказывать одинаковое воздействие на оба канала, что позволяет использовать адаптивный фильтр для восстановления полезной составляющей сигнала. Оценка шума используется как входной сигнал адаптивного фильтра, зашум-ленный сигнал играет роль образцового сигнала, выход ошибки адаптивного фильтра - фильтрованный от шума полезный сигнал. Такая схема предъявляет достаточно жесткие требования к юстировке оптических элементов. Также повышенные требования присутствуют к разбросу номиналов электронных схем ФПУ1 и ФПУ2, так как от этого разброса зависит степень коррелированности шума и шумовой оценки. Для корректной работы адаптивного фильтра коэффициент корреляции не должен быть ниже 0,75. При этом основное влияние на коррелированность оказывает разброс номиналов конденсаторов. Рекомендуемый допуск на соответствующие номиналы 5%, эксперимент показывает, что выполнение указанного требования позволяет получить коэффициент корреляции «0,9. Усложнение измерительной схемы и ужесточение требований к до-

пускам является недостатком предложенного метода, однако при выполнении всех требований метод позволяет корректно восстанавливать даже сильно за-шумленный сигнал (доля шума в сигнале 500% и более). Следовательно, область применения схемы с адаптивным RLS фильтром - высокоточные измерения в присутствии сильных электрических шумов.

Для обеспечения возможности контроля качества пьезорезонансного датчика по комплексному коэффициенту передачи предлагается следующий метод.

Производителем задается номинальный комплексный коэффициент передачи пьезорезонансного датчика (С0(©)) в одной точке при нормальных условиях и уровне влияния измеряемого воздействия, принимаемом за ноль. Так как на практике невозможно определить ККП в бесконечных пределах, производитель должен задать частотный диапазон, для которого определен G„'(m) в виде нижней и верхней граничных частот - (/"„ .../»)■ За пределами частотного диапазона,

дифференциал модуля функции G0(a>) - принимает ничтожно малое

део

значение. Это условие означает, что за пределами заданной частотной области амплитуда колебаний от частоты практически не зависит либо зависит пренебрежимо мало по сравнению с рабочей областью. В рабочем диапазоне частот функция G0(<о) может быть задана несколькими способами. Самым универсальным является способ задания функции при помощи аналитический зависимости. Это может быть физически и практически обоснованная формула, либо результат интерполяции в ввде, например, полинома. В случае невозможности представления О0(т) в виде комплексной зависимости возможно приведение

G0 (т)

и ФЧХ - <р(а>) = arg^G0(®)j. В та-

зависимостей отдельно для АЧХ - А(а) = i

ком случае переход к ККП будет осуществляться по формуле:

G0(o)= А(т)ах{<р(т))+ jA(m)sm{<p(m)). (13)

Параметр G0\m) может быть также предоставлен в виде дискретного массива комплексных значений для ограниченного набора частот в рабочем диапазоне -<G0(®,)>, где /'=], 2,3 ... N, a N- количество частот. Дискретное представление реализуется наиболее просто, однако количество частот N должно быть выбрано разумно, чтобы избежать ситуации скачкообразного изменения амплитудной либо фазовой составляющей ККП между соседними дискретными частотами. Иначе говоря, длина вектора разности соседних значений функции G0(e>,) на

комплексной диаграмме

Go^bGotfl),.,)

должна принимать минимальное

значение. Помимо номинального значения ККП ПРД производителю необходимо привести зависимость ККП от измеряемого параметра в виде:

О4р,(©) = /(О0(й>),ДР), (14)

где АР - изменение измеряемого параметра от нулевого уровня, Оы,(а>) - соответствующее этому изменению значение ККП ПРД. Данная зависимость, как и С0 (а), может быть получена исходя из физических соображений либо интерполяционным методом.

Для обеспечения контроля качества пьезорезонансных датчиков по измеренному ККП G(<a) и номинальному G0'(e>) необходимо задать числовые параметры, способные охарактеризовать степень их различия. В качестве таких параметров были выбраны следующие. 1. Максимальный модуль отклонения:

AG_=Ato| С(ш,Ье0(®,Л. (15)

(16)

2. Дисперсия, которая для двух комплексных функций определена как:

D = -

G(m, У- G0 (а,)

N

3. Коэффициент корреляции:

Р =

' —Y . —Y

; G(ü>, )- G I G0 (a,)- G0

N<T„a

(17)

где

G=7-£G('©,), (18)

0-=«-, (19)

I N

<то и 0„ определяется аналогично формулам (18) и (19), знаком «*» обозначена операция комплексного сопряжения.

Для контроля качества пьезорезонансных датчиков предложены следующие критерии:

-допуск на максимальный модуль отклонения АСтах, как главный критерий для грубой отбраковки;

G(0>G(®,)

N

-максимальная дисперсия Д характеризующая максимально допустимое усредненное отклонение С(о>) от О0(©);

- минимальный коэффициент корреляции р, главным образом определяющий максимально допустимое отклонение резонансных частот.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы.

Заключение

В настоящей работе по результатам теоретических и экспериментальных исследований были разработаны метод и средство для контроля качества пьезо-резонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи. На основе анализа результатов диссертационной работы получены следующие вывода и рекомендации.

1. На основе анализа существующих параметров и действующих стандартов было установлено, что существующие параметры, приведенные в ГОСТ 1866973, ГОСТ 21712-83 и ГОСТ 27124-86, не в полной мере описывают поведение пьезорезонансного датчика как средства измерения и контроля. Предложено ввести новый контролируемый параметр - комплексный коэффициент передачи. Предложенный параметр необходим для описания работы пьезорезонансного датчика как средства измерения в соответствие с требованиями ГОСТ 8.009-84. Использование комплексного коэффициента передачи позволяет выявлять различия пьезорезонансных датчиков, имеющих одинаковые паспортные данные.

2. Разработаны два метода измерения комплексного коэффициента передачи по акустическим колебаниям поверхности пьезорезонансного датчика. Метод, в основу которого положено дискретное преобразование Фурье, рекомендуется для измерений в широком диапазоне частот с большим шагом по частоте, а также в случае необходимости определения только модуля комплексного коэффициента передачи. Этот метод целесообразно применять для экспресс-анализа комплексного коэффициента передачи. Для высокоточного измерения комплексного коэффициента передачи в узком частотном диапазоне рекомендуется метод, использующий дискретные резонаторы второго порядка, которые способны выделять из сигнала гармоники с частотой, равной резонансной частоте.

3. Моделирование оптико-электронной системы для измерения микроперемещений показало, что максимальная чувствительность и линейность зависимости сигнала на выходе фотоприемного устройства от искомого колебания поверхности пьезорезонансного датчика обеспечивается прямоугольным окном фотоприемника с размерами (Ъах)х(6ау), где ах и еу - размеры лазерного луча по соответствующим осям и уровню 0,606 от максимальной интенсивности. Граница окна фотоприемника по оси х располагается э точке максимальной интен-

сивности лазерного луча, при этом точка максимальной интенсивности по оси у должна приходиться на середину окна. При указанных размерах окна фотоприемника погрешность начальной установки может лежать в пределах ±0,5етх, ±0,5(ту по осям хну соответственно, что обеспечивает относительную систематическую погрешность выходного сигнала не более 2%.

4. Экспериментально получена величина абсолютной погрешности измерительной системы, которая составила 0,2 мкм. Теоретические расчеты хорошо согласуются с полученным результатом.

5. Разработан метод точного определения фазовой составляющей комплексного коэффициента передачи, отличающейся низкими вычислительными затратами и высокой помехозащищенностью.

6. Разработаны методы уменьшения влияния внешних факторов, таких как электрические шумы и фоновая засветка, что позволяет эксплуатировать измерительную систему для контроля качества пьезорезонансных датчиков не только в лабораторных условиях, но и в условиях производства.

7. Предложен метод контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи. В качестве критериев контроля предлагается использовать допуск на максимальный модуль отклонения, максимальную дисперсию и минимальный коэффициент корреляции между измеренным комплексным коэффициентом передачи и образцовым. Эти критерии позволяют осуществлять эффективный контроль качества, и применимы к большинству производимых на сегодняшний день пьезорезонансных датчиков.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Воронов A.C. Виртуальная система контроля комплексного коэффициента передачи пьезозлементов // Ползуновский альманах. - Барнаул, 2006. - №4. -С. 14-17.

2. Воронов A.C. Измерение разности фаз сигналов // Горизонты образования [Электронный ресурс]: научн.-образоват. журнал АлгГТУ / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Электронный журнал. - Барнаул: АлтГТУ, 1999. - Режим доступа: http://edu.secna.ru/publish/gorizonty_obrazovania/ - Загл. с экрана. - № гос. регистрации 0229905270. - 2007. - №9.

3. Воронов A.C. Контроль акустических параметров пьезозлементов / A.C. Воронов, С.П. Пронин // Горизонты образования [Электронный ресурс]: научн.-образоват. журнал АлгГТУ / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Электронный журнал. — Барнаул: АлтГТУ, 1999. — Режим доступа: http://edu.secna.ru/publish/gorizonty_obrazovania/ - Загл. с экрана. - № гос. регистрации 0229905270. - 2007. - №9.

4. Воронов A.C. Реакция неселективного датчика на многочастотный гармонический тестовый сигнал / A.C. Воронов, B.C. Цуриков, С.П. Пронин II Ползуновский альманах. - Барнаул, 2006. - №4. - С. 18-20.

5. Воронов A.C. Теоретическое и экспериментальное исследование амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик пьезоэлементов / A.C. Воронов, B.C. Цуриков, С.П. Пронин // Вестник АлтГТУ. - Барнаул, 2006. - № 2. -С. 73-74.

6. Воронов A.C. Цуриков B.C., Пронин С.П. Программа для ЭВМ Программный анализатор (Анализатор). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, №2006610724. Дата регистр. 22.02.2006.

7. Воронов A.C. Оптико-электронная измерительная система для определения комплексного коэффициента передачи пьезоэлементов / A.C. Воронов, С.П. Пронин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2007. -№3.-С.56-59.

Подписано в печать 30.03.2007. Формат 60x84 1/16. Печать - ризография. Усл.п.л. 1,39 Тираж 100 экз. Заказ 30/2007. Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. Лицензии: ЛР № 020822 от 21.09.98 года, ПЛД № 28-35 от 15.07.97 Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

6

Глава 1. Аналитический обзор методов и средств контроля качества пьезорезонансных датчиков

1.1 Измерение комплексного коэффициента передачи по микроперемещениям поверхности пьезорезонансного датчика

1.2 Обзор методов и средств измерения микроперемещений

1.2.1 Электрический метод

1.2.2 Контактные методы измерения микроперемещений

1.2.3 Бесконтактные оптические методы измерения микроперемещений

1.2.4 Бесконтактные неоптические методы измерения микроперемещений

Выводы

Глава 2. Разработка метода определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика

2.1 Усовершенствование оптико-электронного метода измерения микроперемещений

2.1.1 Статическая модель процесса измерения

2.1.2 Динамическая модель процесса измерения

2.2 Разработка методов измерения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика

2.2.1 Метод измерения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика, использующий преобразование Фурье

2.2.2 Метод измерения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика, использующий дискретные резонаторы второго порядка

2.3 Анализ процесса измерения разности фаз для восстановления ФЧХ

Выводы

Глава 3. Разработка экспериментальной оптико-электронной системы определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика

3.1 Разработка структурной схемы фотоприемного устройства

3.2 Разработка принципиальной электрической схемы

3.3 Технические стандарты, использованные при проведении измерений

3.4 Экспериментальная проверка зависимости амплитуды выходного сигнала от размеров окна фотоприемного устройства

3.5 Экспериментальная оценка погрешности измерительной системы

3.6 Экспериментальное определение предела чувствительности измерительной системы

3.7 Экспериментальное измерение комплексного коэффициента передачи пьезоэлектрических резонаторов

Выводы

Глава 4. Разработка метода производственного контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи

4.1 Выявление основных отличий производственных и лабораторных условий и их влияние на результат измерения

4.2 Разработка методов компенсации погрешностей результатов измерения, вызванных отличием производственных и лабораторных условий

4.2.1 Учет влияния электрических помех

4.2.2 Учет влияния вибрации фундамента

4.2.3 Учет влияния фоновой засветки

4.3 Метод контроля качества пьезорезонансного датчика по комплексному коэффициенту передачи

Выводы

На современном этапе развития технологических процессов в различных отраслях промышленности возрастает потребность в конструктивно простых, экономичных, высокочувствительных датчиках, способных надежно функционировать в жестких производственных условиях при наличии высоких температур, сильных механических и химических воздействий. К настоящему времени у нас в стране и за рубежом нашли широкое применение электромеханические первичные преобразователи физических величин с пьезоэлектрическим возбуждением, характеризующиеся хорошими массогаба-ритными, метрологическими, эксплуатационными и экономическими показателями. Отдельно выделяется перспективное направление пьезорезонансных датчиков, обладающих, помимо перечисленных достоинств, максимально высокой чувствительностью, избирательностью, отказоустойчивостью [63, 88-95]. Однако, малейшие погрешности при их изготовлении приводят к существенному изменению эксплуатационных параметров. Следовательно, контроль качества пьезорезонансных датчиков является актуальной задачей. Контроль необходим как на этапе производства пьезоэлектрических резонаторов, используемых в пьезорезонансных датчиках, так и на этапе проектирования и производства самих датчиков. Для обеспечения соответствующего контроля производители используют определенный набор параметров, включающий добротность, резонансные частоты, материальные константы, коэффициенты электромеханической связи и параметры эквивалентной электрической схемы замещения [35, 43, 63, 104]. Однако, этот набор не позволяет однозначно описать работу пьезорезонансного датчика, так как характеризует лишь его упрощенную математическую модель. Погрешность аппроксимации реального датчика такой моделью достаточно высока. Эта систематическая погрешность снижает эффективность контроля качества и ухудшает технико-экономические показатели пьезорезонансных датчиков и приборов на их основе. Для решения этой проблемы в данной работе предлагается использовать в качестве основного параметра для контроля качества пьезорезо-нансных датчиков комплексный коэффициент передачи. Этот параметр представляет собой полную динамическую характеристику и устанавливает однозначную зависимость между электрическим сигналом, поданным на пьезоре-зонансный датчик, и колебанием его поверхности. Амплитуда колебаний поверхности пьезорезонансного датчика находится в диапазоне 10"9.10'6 м. Анализ показал, что для измерения таких колебаний лучше всего подходят оптико-электронные средства. Однако существующие на сегодняшний день средства не адаптированы для измерения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков. Для повышения качества проектирования и эффективности разрабатываемых приборов на основе пьезорезонансных датчиков предложены метод и оптико-электронное средство контроля качества по комплексному коэффициенту передачи.

Цель работы - разработка метода и оптико-электронного средства контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи для повышения качества проектирования и эффективности разрабатываемых приборов на их основе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие исследовательские задачи.

1. Выполнить аналитический обзор:

- параметров, используемых для контроля качества пьезорезонансных датчиков и обосновать необходимость применения комплексного коэффициента передачи;

- методов и средств, пригодных для определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков.

2. Провести моделирование метода и средства определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков.

3. Разработать экспериментальную установку для определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков, выполнить проверку результатов моделирования, оценить погрешность разработанной системы.

4. Разработать метод производственного контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи.

Объект исследования - метрологический процесс контроля качества пьезорезонансных датчиков.

Методы исследований. Для определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансных датчиков использовались методы динамических измерений. Для обработки результатов экспериментов применялись методы цифровой обработки сигналов. При исследовании процессов, происходящих в измерительной системе, были использованы математическое и физическое моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработан метод контроля качества пьезорезонансных датчиков, в основу которого положено три критерия отличия регистрируемого комплексного коэффициента передачи от эталонного: максимальный модуль отклонения, дисперсия и коэффициент корреляции.

2. Впервые исследовано влияние соотношения геометрических размеров окна интегрального фотоприемника и параметров пространственного распределения интенсивности лазерного луча на выходной сигнал оптико-электронного измерительного преобразователя. Установлено оптимальное соотношение, при котором достигается максимальная чувствительность и линейность выходного сигнала по отношению к перемещениям поверхности пьезорезонансного датчика.

3. Впервые на базе методов цифровой обработки сигналов и в результате исследования экспериментальных данных разработан метод точного определения комплексного коэффициента передачи пьезорезонансного датчика с использованием дискретных резонаторов второго порядка.

4. Предложен и реализован алгоритм определения фазового сдвига, отличающийся от известных минимальными вычислительными затратами и повышенной помехозащищенностью.

5. Используя методы адаптивной фильтрации, предложена и реализована измерительная схема, позволяющая производить точные измерения при наличии сильных электрических помех.

Достоверность научных выводов и результатов диссертации обеспечивается: использованием обоснованных физических предпосылок при построении математических моделей; обеспечением представительности выборок при проведении измерений и применением статистических методов обработки экспериментальных данных; хорошим совпадением теоретических и экспериментальных результатов; использованием рекомендаций, изложенных в соответствующих государственных стандартах, при выполнении теоретических и экспериментальных исследований; использованием в качестве эталонного прибора интерферометра Майкельсона на основе полупроводникового лазера с длиной волны 655 нм HLDPM12-655-5.

Практическая и теоретическая ценность. Предложенный метод контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи позволяет в полной мере учесть их динамические свойства и, следовательно, значительно повысить эффективность контроля. Разработанная оптико-электронная система для определения комплексного коэффициента передачи в производственных условиях отличается высокой точностью, помехозащищенностью, технологической простотой и низкой стоимостью. Результаты экспериментальных и теоретических исследований, а также полученная измерительная система могут быть использованы для повышения качества производства и метрологической аттестации пьезорезонанс'ных датчиков, пьезоэлектрических резонаторов, пьезоизделий. Контроль может быть осуществлен в любой точке контролируемого объекта, что дает возможность исследовать распределение волнового поля в комбинированных системах: в системе излучатель - приемник, волноводах, концентраторах.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международной научно-технической конференции «Виртуальные и интеллектуальные системы ВИС - 2006», на научно-технических семинарах кафедры «Автоматика и вычислительные системы» и кафедры «Информационные технологии».

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в проектно-конструкторской деятельности на предприятии «Сибпромприбор-Аналит» при разработке измерительных приборов с пьезорезонансными датчиками в виде методических рекомендаций и технических предложений по выполнению конструктивных схем измерительного оборудования, предназначенного для контроля качества пьезорезо-нансных датчиков. Использование указанных результатов позволяет: повысить качество проектирования и эффективность разрабатываемых приборов на основе пьезорезонансных датчиков; сократить затраты на проведение опытно-конструкторских работ и натурных испытаний.

Публикации. По результатам диссертационной работы имеется 7 работ, в том числе 6 статей, из них одна статья в журнале, рекомендованном ВАК, одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Автором получены все теоретические и экспериментальные результаты, изложенные в диссертационной работе, написано программное обеспечение, рассчитаны и реализованы все узлы разработанной измерительной системы и предложен метод для контроля качества пье-зорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи.

Структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения. Ее содержание изложено на 148 страницах, иллюстрировано 72 рисунками, 2 таблицами. Перечень используемой литературы составляет 107 наименований.

Выводы

В данной главе были получены следующие результаты. Было установлено, что наибольшее влияние на погрешность разработанной измерительной системы оказывают следующие факторы:

- электрические помехи;

- вибрации фундамента;

- переменная составляющая фоновой засветки.

Для уменьшения влияния указанных факторов на выходной сигнал измерительной системы до уровня документированной погрешности были предложены следующие методы.

Для уменьшения влияния электрических помех предложено использовать две измерительные схемы. Схему с использованием линейной фильтрации при помощи набора дискретных резонаторов второго порядка в случае доли шума в сигнале до 30% и схему с использованием адаптивной фильтрации по алгоритму RLS в случае зашумления более чем на 30%.

Для уменьшения влияния вибрации фундамента использована схема двухслойной сейсмической изоляции.

Для уменьшения влияния переменной составляющей фоновой засветки предложено использовать дифференциальную схему включения фотоэлектронных преобразователей.

Реализация предложенных методов показала их высокую эффективность, т.к. при наличии большого количества влияющих на оптико-электронный преобразователь внешних факторов погрешность измерения и минимально обнаружимая амплитуда колебаний не меняется по сравнению с лабораторными условиями.

В результате экспериментальных и теоретических исследований был предложен метод контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи. В качестве критериев контроля предлагается использовать допуск на максимальный модуль отклонения, максимальную дисперсию и минимальный коэффициент корреляции между измеренным комплексным коэффициентом передачи и образцовым. Эти критерии позволяют осуществлять эффективный контроль качества, и применимы к большинству производимых на сегодняшний день пьезорезонансных датчиков.

Заключение

В настоящей работе по результатам теоретических и экспериментальных исследований были разработаны метод и средство для контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи. На основе анализа результатов диссертационной работы получены следующие выводы и рекомендации.

1. На основе анализа существующих параметров и действующих стандартов было установлено, что существующие параметры, приведенные в ГОСТ 18669-73, ГОСТ 21712-83 и ГОСТ 27124-86, не в полной мере описывают поведение пьезорезонансного датчика как средства измерения и контроля. Предложено ввести новый контролируемый параметр - комплексный коэффициент передачи. Предложенный параметр необходим для описания работы пьезорезонансного датчика как средства измерения в соответствие с требованиями ГОСТ 8.009-84. Использование комплексного коэффициента передачи позволяет выявлять различия пьезорезонансных датчиков, имеющих одинаковые паспортные данные.

2. Разработаны два метода измерения комплексного коэффициента передачи по акустическим колебаниям поверхности пьезорезонансного датчика. Метод, в основу которого положено дискретное преобразование Фурье, рекомендуется для измерений в широком диапазоне частот с большим шагом по частоте, а также в случае необходимости определения только модуля комплексного коэффициента передачи. Этот метод целесообразно применять для экспресс-анализа комплексного коэффициента передачи. Для высокоточного измерения комплексного коэффициента передачи в узком частотном диапазоне рекомендуется метод, использующий дискретные резонаторы второго порядка, которые способны выделять из сигнала гармоники с частотой, равной резонансной частоте.

3. Моделирование оптико-электронной системы для измерения микроперемещений показало, что максимальная чувствительность и линейность зависимости сигнала на выходе фотоприемного устройства от искомого колебания поверхности пьезорезонансного датчика обеспечивается прямоугольным окном фотоприемника с размерами (Зая)х(6ау), где ах и ау - размеры лазерного луча по соответствующим осям и уровню 0,606 от максимальной интенсивности. Граница окна фотоприемника по оси л: располагается в точке максимальной интенсивности лазерного луча, при этом точка максимальной интенсивности по оси у должна приходиться на середину окна. При указанных размерах окна фотоприемника погрешность начальной установки может лежать в пределах ±0,5^, ±0,5ау по осям хну соответственно, что обеспечивает относительную систематическую погрешность выходного сигнала не более 2%.

4. Экспериментально получена величина абсолютной погрешности измерительной системы, которая составила 0,2 мкм. Теоретические расчеты хорошо согласуются с полученным результатом.

5. Разработан метод точного определения фазовой составляющей комплексного коэффициента передачи, отличающейся низкими вычислительными затратами и высокой помехозащищенностью.

6. Разработаны методы уменьшения влияния внешних факторов, таких как электрические шумы и фоновая засветка, что позволяет эксплуатировать измерительную систему для контроля качества пьезорезонансных датчиков не только в лабораторных условиях, но и в условиях производства.

7. Предложен метод контроля качества пьезорезонансных датчиков по комплексному коэффициенту передачи. В качестве критериев контроля предлагается использовать допуск на максимальный модуль отклонения, максимальную дисперсию и минимальный коэффициент корреляции между измеренным комплексным коэффициентом передачи и образцовым. Эти критерии позволяют осуществлять эффективный контроль качества, и применимы к большинству производимых на сегодняшний день пьезорезонансных датчиков.

1. Erofeev A. Diagnostics of dielectric materials and measurement their physical parameters / A. Erofeev, F. F. Legusha, S. 1. Pugachiov // ULTRAGAR-SAS. - 1999. - Vol 33, No3.-P. 7-10.

2. Laser beam shaping theory and techniques / edited by F.M. Dickey, S.C. Holswade. New York: Marcel Dekker, Inc., 2000.

3. Lee E.A. Structure and interpretation of signals and systems / E.A. Lee, P. Varaiya. Berkeley: Electrical Engineering & Computer Science University of California, 2000.

4. Motchenbacher C.D. Low-noise electronic system design / C.D. Motchen-bacher, J.A. Connelly. Canada.: John Wiley & Sons, Inc., 1993.

5. Nyce D.S. Linear position sensors theory and applications / D.S. Nyce. -Canada.: John Wiley & Sons, Inc., 2004.

6. Абрамовиц M. Справочник по специальным функциям / M. Абрамович, И. Стиган. М.: Наука, 1979.

7. Автоматизированная система исследований форм колебаний объектов / Г.Г. Позняк и др. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. - № 11. - С. 12 - 16.

8. Акустотермооптический метод исследования физических свойств пье-зокерамических материалов /А.В. Бочагов и др. // Сб. докладов МНПК: "Пьезотехника-97". Обнинск, 1997. - С. 270.276.

9. Алексенко А. Г. Применение прецизионных аналоговых ИС / А. Г. Алексенко, Е. А. Коломбет, Г. И. Стародуб. М.: Сов. радио, 1980.

10. Артюхина JT.B. Автоматизация исследований и контроля параметров пьезокерамических резонансных датчиков в технологическом процессе их опытного производства: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Томск: Изд-во СГТИ, 2002.

11. Афонин С.М. Программно-аппаратные средства системы моделирования характеристик пьезодвигателя наноперемещений / С.М. Афонин, П.С. Афонин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2005. - №9. - С.34 - 36.

12. Балакирев М.К. Волны в пьезокристаллах / М.К. Балакирев, И.А. Ги-линский; отв. ред. С.В. Богданов. Новосибирск : Наука, 1982.

13. Бесконтактный датчик вибрации и прогиба вращающегося вала / В.М. Аранчук и др. // Датчики электрических и неэлектрических величин: тезисы докладов к первой Международной конференции «Датчик 93». -Барнаул, 1993.-С. 113-114.

14. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учебник. 10-е изд. - М.: Гардарики, 2000.

15. Бриндли К. Измерительные преобразователи: справочное пособие: пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1991.

16. Бродниковский A.M. Измерение амплитуды колебаний пьезоэлементов с помощью лазерного профилографа / A.M. Бродниковский, И.Ю. Криков // Измерительная техника. 1992. - №5. - С.20.

17. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах: пер. с англ. -М.: Мир, 1986.

18. Бур дин Б.В. Фотоэлектрические датчики для контроля малых перемещений / Б.В. Бурдин, В.А. Гриценко // Датчики электрических и неэлектрических величин: тезисы докладов к первой Международной конференции «Датчик 93». Барнаул, 1993.-С. 135.

19. Венедиктов А.З. Принцип обработки сигналов вибрации в оптических измерителях виброперемещения / А.З. Венедиктов, О.В. Пальчик //

20. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2005. -№6. -С.54-56.

21. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: учебник для вузов. 6-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 1999.

22. Вибрации в технике: справочник В 6 т. Т.5. Измерения и испытания / В.В Алесенко и др.; под. ред. М.Д. Генкина. М.: Машиностроение, 1981.

23. Вклеб Г. Датчики: пер. с нем. М.: Мир, 1989.

24. Волоконно-оптические датчики: пер. с япон. / Т. Окоси и др.; под ред. Т. Окоси. JL: Энергоатомиздат, 1990.

25. Воронов А.С. Виртуальная система контроля комплексного коэффициента передачи пьезоэлементов // Ползуновский альманах. Барнаул, 2006.-№4.-С. 14-17.

26. Воронов А.С. Оптико-электронная измерительная система для определения комплексного коэффициента передачи пьезоэлементов / А.С. Воронов, С.П. Пронин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007. - №3. - С.56-59.

27. Воронов А.С. Реакция неселективного датчика на многочастотный гармонический тестовый сигнал / А.С. Воронов, B.C. Цуриков, С.П. Пронин // Ползуновский альманах. Барнаул, 2006. - №4. - С. 18-20.

28. Воронов А.С. Теоретическое и экспериментальное исследование амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик пьезоэлементов / А.С. Воронов, B.C. Цуриков, С.П. Пронин // Вестник АлтГТУ. Барнаул, 2006.-№2.-С. 73-74.

29. Воронов А.С. Цуриков B.C., Пронин С.П. Программа для ЭВМ Программный анализатор (Анализатор). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, №2006610724. Дата регистр. 22.02.2006.

30. Восстановление фазы волнового фронта на основе одномерного преобразования Фурье / В.И. Гужков и др. // Автометрия,- 1992 №6. - С. 21-24.

31. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы : учеб. пособие для вузов. 5-е изд., испр. и доп. - М.: Дрофа, 2006.

32. ГОСТ 11859- 66. Анализаторы гармоник. Методы и средства поверки. -М: Изд-во стандартов, 1986.

33. ГОСТ 18669-73. Резонаторы пьезоэлектрические. Термины и определения. -М: Изд-во стандартов, 1979.

34. ГОСТ 4.447- 86. Приборы контрольно-измерительные оптико-механические для измерения линейных размеров. Номенклатура показателей. М: Изд-во стандартов, 1986.

35. ГОСТ 8.009-84. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений. М: Изд-во стандартов, 1985.

36. ГОСТ 8.050-73. Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений. М: Изд-во стандартов, 1973.

37. Гофман В. Delphi 6 / В. Гофман, А. Хомоненко. СПб.: БХВ-Петербург, 2002.

38. Грабовски Б. Краткий справочник по электронике: пер. с фр. М.: ДМК Пресс, 2001.

39. Дедушенко К.Б. Лазерный датчик микроперемещений / К.Б. Дедушен-ко, А.Н. Мамаев, И.В. Николаев // Датчики электрических и неэлектрических величин: тезисы докладов к первой Международной конференции «Датчик 93». Барнаул, 1993.-С. 175.

40. Добрынин С.А. Методы автоматизированного исследования вибрации машин: справочник / С.А. Добрынин, М.С. Фельдман, Г.И. Фирсов-М.: Машиностроение, 1987.

41. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: материалы, технология, конструкция, применение: пер. с чешек. М.: Мир, 1990.

42. Ивченко В.Д. Применение нейросетевых технологий в различных областях науки и техники / В.Д. Ивченко, С.С. Кананадзе // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2005. - №6. - С.28 - 29.

43. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов.-JI.: Машиностроение, 1986.

44. Ишинбаев Н.А. Измерительные системы с неселективными датчиками // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. -№8. - С.44.

45. Калман Р. Очерки по математической теории систем: пер. с англ. Э.Л. Наппельбаума / Р. Калман, П. Фабл, М. Арбиб; под. ред. ЯЗ. Цыпкина. -М.: Мир, 1971.

46. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике: пер. с англ. М.: Постмаркет, 2000.

47. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. -М.: Сов. радио, 1978.

48. Краткий справочник для инженеров и студентов: Высшая математика. Физика. Теоретическая механика. Сопротивление материалов. / А.Д. Полянин и др. М.: Международная программа образования, 1996.

49. Креопалова Г.В. Оптические измерения / Г.В. Креопалова, Н.Л. Лазарева, Д.Т. Пуряев. -М.: Машиностроение, 1987.

50. Кузнецов Ю.А. Физические принципы действия полупроводниковых многоэлементных приемников оптического излучения / Ю.А. Кузнецов, А.Б. Ушаков. -М.: Электроника, 1978.

51. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения: учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1985.

52. Лавриенко В.В. Пьезоэлектрические трансформаторы. М: Энергия, 1975.

53. Лазерная и голографическая интерферометрия при вибрационных исследованиях сложных пространственных конструкций / Ю.В. Худяков и др. // Приборы и техника эксперимента. 2003. - № 2. - С. 122-126.

54. Лачин В.И. Электроника: учеб. пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. -Ростов-н/Д: Феникс, 2000.

55. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи: учеб. пособие для вузов по спец. "Инфор-мац.-измерит. техника" / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Л.: Энерго-атомиздат, 1983.

56. Легуша Ф.Ф. Измерение электрофизических параметров пьезокерамики акустотермооптическим методом / Ф.Ф. Легуша, Ф.Ф.-мл. Легуша, С.И. Пугачев // Сб. докладов МНПК: "АПЭП-98". Новосибирск, 1998. -Т. 10.-С. 77-78.

57. Макаров Л.О. Акустические измерения в процессах ультразвуковой технологии. М.: Машиностроение, 1983.

58. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

59. Масленников С.В. Прецизионный датчик положения / С.В. Масленников, А.Г. Фомин, Г.И. Ананьев // Датчики электрических и неэлектрических величин: тезисы докладов к первой Международной конференции «Датчик 93». Барнаул, 1993.-С. 150-151.

60. Махов А.А. Виброизмерительная система на основе световолоконного датчика перемещений / А.А. Махов, Г.Г. Позняк // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2004. №1. - С.53.

61. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: учеб. пособие для вузов. Л.: Машиностоение, 1977.

62. Мирский Г.Я. Электронные измерения. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1986.

63. Морозов А.И. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств / А.И. Морозов, В.В. Проклов, Б.А. Станковский. -М.: Радио и связь, 1981.

64. Мосягин Г.М. Теория оптико-электронных систем: учебник для студентов вузов по оптическим специальностям / Г.И. Мосягин, В.Б. Немти-нов, Е.Н. Лебедев. -М.: Машиностроение, 1990.

65. Оптико-электронные приборы для научных исследований: учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов / JI.A. Новицкий и др.; под ред. JI.A. Новицкого. М.: Машиностроение, 1986.

66. Основополагающие стандарты в области метрологического обеспечения. М: Изд-во стандартов, 1981.

67. Основы оптоэлектроники: пер. с яп. / Суэмацу Я. и др. М.: Мир, 1988.

68. Островский Ю.И. Голографическая интерферометрия / Ю.И. Островский, М.М. Бутусов, Г.В. Островская. М.: Наука, 1977.

69. Парвулюсов Ю. Б. Проектирование оптико-электронных приборов: учеб. пособие для втузов / Ю.Б. Парвулюсов, В.П. Солдатов, Ю.Г. Якушенков; под общ. ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Машиностроение, 1990.

70. Петров Ю.П. Параметрический LCR датчик // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. -№11.- С.39.

71. Плотников С.В. Сравнение методов обработки сигналов в триангуляционных измерительных системах // Автометрия. 1995. - №6. - С. 5863.

72. Полупроводниковые фотоприемники: ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра / И. Д. Анисимова и др.; под ред. В. И. Стафеева. М.: Радио и связь, 1984.

73. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах: учебник для приборостроит. спец. вузов. JL: Машиностроение, 1989.

74. Потапов С.П. Балансировка шпинделей особо точных токарных станков: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. М.: РУДН, 1994.

75. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: справочник В 2 кн. Кн. 1 / Р.В. Васильева и др.; под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1978.

76. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: справочник В 2 кн. Кн. 2 / А.С. Больших и др.; под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1978.

77. Применение интегральных микросхем: практическое руководство. В 2 кн. Кн. 1.: пер. с англ. / П. Бредшо и др.; под ред. А. Уильямса. М.: Мир, 1987.

78. Розанов Ю.А. Случайные процессы. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1979.

79. Рыбин Ю.К. Условия возбуждения и установления синусоидальных автоколебаний в RC-генераторах // Извест. Томск, политех, ун-та. 2003. -Т. 306,№3,-С. 77-83.

80. Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов В 5 кн. Кн. 4. Волны. Оптика. 4-е изд., перераб. - М.: Наука, 1998.

81. Сверхвысокочастотный автодинный измеритель параметров вибраций / Д.А. Усанов и др. // Приборы и техника эксперимента. 2004. - № 5. -С. 130-134.

82. Седалищев В.Н. Дифференциальные пьезотрансформаторные измерительные преобразователи / В.Н. Седалищев П.И. Госьков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. - №7. - С.42 - 43.

83. Седалищев В.Н. Измерительные устройства, основанные на реализации режимов связанных колебаний в пьезорезонансных датчиковых структурах // Ползуновский вестник. 2006. - №2. - С.264 - 270.

84. Седалищев В.Н. Использование связанных колебаний в пьезорезонансных датчиковых структурах // Измерительная техника. 2006. - №3. -С.59-61.

85. Седалищев В.Н. Особенности конструирования пьезоэлектрических измерительных устройств на связанных колебаниях // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. - №4. - С.44 - 46.

86. Седалищев В.Н. Оценка эффективности использования связанных колебаний в пьезорезонансных измерительных устройствах // Измерительная техника. 2006. - №8. - С.57 - 59.

87. Седалищев В.Н. Пьезорезонансные датчики на связанных колебаниях // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2005. -№11.-С.41 -43.

88. Седалищев В.Н. Устройство для измерения уровня сыпучих материалов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. -№6.-С.49-50.

89. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: учебник для вузов. 2-е изд.-СПб.: Питер, 2006.

90. Смирнов Р.А. Измерительный усилитель: учебное пособие по курсовому проектированию для студентов специальности 19.01 по курсу «Электроника в приборостроении» / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползу нова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005.

91. Справочник по радио-измерительным приборам / Ю.С. Гаврилов и др. -М.: Энергия, 1976.

92. Терешин Г.М. Радио-измерения. М: Энергия, 1968.

93. Фолкенбери Jl. Применение операционных усилителей и линейных ИС: пер. с англ. М.: Мир, 1985.

94. Шермергор Т.Д. Пленочные пьезоэлектрики / Т.Д. Шермергор, Н.Н. Стрельцова. -М.: Радио и связь, 1986.

95. Шипачев B.C. Высшая математика: учебник для вузов. 4-е изд., стер. -М.: Высш. школа, 1998.

96. Якушенков Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения: учебник для вузов. М.: Сов. радио, 1977.

97. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: учебник для студентов вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос, 1999.