автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Цифровые волоконно-оптические датчики крутящего момента

На правах рукописи

БОГАТОВ МАКСИМ ВЛАДИМИРОВИЧ

ЦИФРОВЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2004

Работа выполнена на кафедре радиоэлектронных и квантовых устройств Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Научный руководитель:

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Морозов О. Г.

доктор физико-математических наук, профессор Польский Ю. Е.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Солдаткин В. М.

Ведущая организация:

кандидат технических наук Андрианов С. Н. (НПО ГИПО)

ФГУП «Казанское приборостроительное конструкторское бюро», Казань.

Защита состоится «_»_2004г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д 212.079.04 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул. К.Маркса, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Автореферат разослан «_» _2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Козлов В.А.

коЧ.ц 2.4Эаб69

^ — I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

149 ^Актуальность темы. Современные информационно-измерительные системы, применяемые в энергетике, нефтегазодобывающей отрасли, на транспорте, представляют собой сложные вычислительно-управляющие комплексы, содержащие как собственно электрические, так и электромеханические устройства. Основой электромеханических устройств, как правило, являются вращающиеся валы, предназначенные для передачи механической энергии от силовых агрегатов к исполнительным. Диапазон применения указанных электромеханических устройств чрезвычайно широк: от приводов и шаговых двигателей дисковых накопителей и устройств чтения оптических дисков до ведущих валов турбин, двигателей летательных аппаратов и электрических машин.

Повышение эффективности метрологического контроля параметров »ращения валов обеспечивает повышение эффективности вычислительно-управляющих комплексов в целом. Одним из важных параметров, требующих постоянного контроля, является крутящий момент (КМ), по которому оцениваются основные характеристики указанных комплексов (мощность двигателей, КПД, динамика нагрузочных характеристик и т.д.).

Тематика и постановка задач, решаемых в данной диссертации определена планами научных исследований, являющихся составной частью Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.» и Федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.», выполняемых на кафедре радиоэлектронных и квантовых устройств Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Для экспериментального определения КМ применяются разнообразные измерительные методы и средства, отличающиеся друг от друга различной степенью сложности, метрологическими характеристиками, областью применения и т.п. Повышение требований к точности измерения КМ определяет необходимость улучшения точностных характеристик датчиков КМ и измерительных преобразователей, входящих в их состав, повышения помехоустойчивости (в частности, решения вопросов улучшения электромагнитной совместимости), уменьшения массогабаритных показателей, повышения надежности при чке-плуатации в неблагоприятных условиях. Выполнение этих требований в рамках существующих методов связано с большими затратами и ведет к значительному усложнению конструкции датчиков КМ.

Современный этап развития датчиков КМ основывается на использовании новых (для данной области измерений) методов, имеющих значительный потенциал. Особое место среди них занимают методы, основанные на применении элементов оптоволоконной техники, что позволяет заметно повысить метрологические характеристики датчиков КМ, повысить их помехоустойчивость, расширить область применения, снизить требования, связанные с условиями эксплуатации, упростить конструкцию и уменьшить затраты, связанные с их изготовлением.

Ил.. нУНАЛЬИАЯ БИБЛИОТЕКА С. Петербург Ш/-РК

Не менее важное место занимает использование цифровых методов для измерения крутящего момента (КМ). Учитывая то, что в настоящее время большое распространение получили интегрированные системы сбора и обработки информации, которые объединяют все датчики вычислительно-управляющего комплекса в единую измерительную сеть на основе высокопроизводительных микропроцессоров, цифровые методы измерения КМ являются наиболее предпочтительными.

Таким образом, применение комплексного решения основанного на синтезе датчиков КМ, использующих оптоволоконные и цифровые методы измерений может заметно повысить метрологические, эксплуатационные и другие характеристики датчиков КМ.

Следует отметить, что в данном направлении проводился ряд исследований как иностранными (Fuhrer J., Maghoo М., Окоси Т.), так и отечественными учеными (А.С.Капустин, В.М.Гречишников, П.И.Марков, В.Л.Заковоротный, П.Майоров). Публикации указанных авторов, посвященные разработке либо цифровых, либо волоконно-оптических датчиков КМ, содержат в себе решения лишь частных вопросов. В их работах не ставилось целью создание и анализ характеристик комплексных цифровых волоконно-оптических датчиков КМ (ЦВОДКМ). Это обстоятельство не позволяет сделать обоснованный выбор вида и параметров ЦВОДКМ, обеспечивающий выигрыш в их точностных характеристиках и повышении помехоустойчивости. Остается также неясным, как следует строить ЦВОДКМ в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации в различных вычислительно-управляющих комплексах.

Отсутствие четких и обоснованных рекомендаций по этим вопросам приводит к тому, что чаще всего, разработанные датчики КМ не обеспечивают требуемых характеристик измерительного преобразования, что существенно ограничивает круг решаемых ими задач.

Цель работы Разработка и исследование комплексного цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента и создание на его основе семейства датчиков, обеспечивающих улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса.

Основные задачи исследований:

1) сравнительный анализ существующих методов и средств измерения крутящего момента и определение основных путей улучшения их метрологических и эксплуатационно-технических характеристик на базе использования преимуществ волоконно-оптических методов измерений и цифровых методов обработки сигналов;

2) синтез комплексного цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента; определение и анализ основных факторов, оказывающих влияние на метрологические и эксплуатационно-технические характеристики гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков, созданных на его основе;

3) разработка способов снижения степени воздействия негативных факторов на метрологические и эксплуатационно-технические характеристики гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков;

4) разработка и исследование семейства датчиков крутящего момента, основанных на цифровом волоконно-оптическом методе измерений; теоретический анализ метрологических и эксплуатационно-технических характеристик предложенных вариантов датчиков; разработка рекомендаций по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации в различных вычислительно-управляющих комплексах;

5) разработка базового стенда для экспериментального исследования метрологических характеристик и калибровки датчиков семейства; экспериментальное исследование метрологических характеристик цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента с регистрирующим устройством на базе ПЗС-матрицы; разработка рекомендаций по применению датчиков семейства в зависимости от метрологических требований, предъявляемых к ним в различных вычислительно-управляющих комплексах.

Методы исследований. Достоверность и обоснованность решаемых задач обеспечивается правильным выбором методов теоретического анализа и детальным сопоставлением его результатов с результатами экспериментальных исследований. При выборе концепции создания цифрового волоконно-оптического метода использовался системный анализ. При решении поставлен} ных задач использованы математический аппарат теории вероятностей и математической статистики и линейное программирование с использованием современных средств вычислительной техники.

Научная новизна работы заключается в следующем: ' - предложены цифровой волоконно-оптический метод измерения

крутящего момента и принципы построения семейства датчиков на его основе, обеспечивающих улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса;

проведен теоретический анализ метрологических и эксплуатационно-технических характеристик гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков и изучены основные факторы, оказывающие влияние на указанные характеристики; получены соотношения для определения метрологических характеристик датчиков;

проведена оценка вариантов улучшения метрологических характеристик цифровых волоконно-оптических датчиков крутящего момента и предложены нониусный и интерполяционный способы для их реализации;

на базе комплексного цифрового волоконно-оптического метода и указанных способов разработаны схемы датчиков семейства; теоретически изучены их метрологические и эксплуатационно-технические характеристики;

разработан базовый стенд для экспериментальной проверки метрологических и эксплуатационно-технических характеристик датчиков семейства; получены экспериментальные данные, хорошо согласующиеся с теоретическими, и подтвердившие улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса;

даны обоснованные рекомендации по выбору варианта датчика из семейства в зависимости от метрологических и эксплуатационно-технических требований, предъявляемых к ним в различных вычислительно-управляющих комплексах.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

разработано и создано семейство цифровых волоконно-оптических датчиков, обеспечивающих улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса;

создан базовый стенд, позволяющий проводить экспериментальные исследования датчиков семейства и осуществлять их статическую калибровку;

указанные разработки внедрены в Казанском приборостроительном конструкторском бюро (соответствующие документы прилагаются);

результаты исследований использованы при выполнении НИР по федеральной научно-технической программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.», выполняемых на кафедре радиоэлектронных и квантовых устройств КГТУ им. А.Н. Туполева;

результаты исследований внедрены и используются в учебном процессе в КГТУ им. А.Н. Туполева.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

цифровой волоконно-оптический метод измерения крутящего момента и принципы построения семейства датчиков на его основе, обеспечивающие улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса;

результаты теоретического анализа метрологических и эксплуатационно-технических характеристик гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков и изучения основных факторов, оказывающих влияние на указанные характеристики; полученные соотношения для определения метрологических характеристик датчиков;

результаты оценки вариантов улучшения метрологических характеристик цифровых волоконно-оптических датчиков крутящего момента; нони-усный и интерполяционный способы для их реализации;

схемы датчиков крутящего момента, разработанные на базе комплексного цифрового волоконно-оптического метода и указанных нониусного и интерполяционного способов;

базовый стенд для экспериментальной проверки метрологических и эксплуатационно-технических характеристик датчиков семейства; результаты экспериментальных исследований метрологических и эксплуатационно-технических характеристик датчиков семейства;

выработанные рекомендации по выбору варианта датчика из семейства в зависимости от метрологических и эксплуатационно-технических требований, предъявляемых к ним в различных вычислительно-управляющих комплексах.

Апробация работы. Результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на I и II научно-технических конференци-

б

ях студентов и аспирантов, г. Казань, 2000, 2001 гг.; на IX Всероссийских Ту-полевских чтениях студентов, г. Казань, 2000 г.; на XII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (ДАТЧИК-2000), г. Гурзуф, 2000 г.; на итоговой конференции Минобразования РФ по результатам выполнения федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 20022006 гг.», г. Москва, 2004 г.; на итоговых конференциях КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань, 2000-2003 гг.

Публикации. Основное содержание работы отражено в б печатных работах, получено одно свидетельство на полезную модель.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации: 134 страницы, в том числе 28 рисунков, список литературы из 76 наименований, приложения на 10 страницах.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость проведенных разработок и исследований, определяются цель и задачи диссертационной работы.

В первой главе на основе анализа научно-технической литературы, посвященной исследованию методов измерения крутящего момента рассмотрены традиционные пути создания датчиков крутящего момента, их основные характеристики и причины, ограничивающие их возможности. Уделено особое внимание торсиометрическим датчикам, как получившим большое распространение в практике измерения крутящего момента. Рассмотрены факторы, влияющие на точность датчиков крутящего момента и возможности уменьшения их воздействия на точность измерения. Проанализировано современное состояние работ по методам расширения динамического диапазона и повышения точности измерения крутящего момента. Анализ основных характеристик ДКМ показал, что для дальнейшего расширения их функциональных возможностей и удовлетворения требований современной промышленности необходимо решение проблем, связанных с ограничениями по чувствительности и точности измерения КМ.

Дан сравнительный анализ способов снятия информации о крутящем моменте с вращающегося вала, а именно, информации об угле скручивания вала, рассмотрены их основные метрологические и эксплуатационные характеристики. Анализ показал, что несовершенство методов и средств снятия информации о КМ не позволяет в полной мере воспользоваться потенциалом, которым обладают существующие методы преобразования крутящего момента. Показано, что наиболее перспективными являются цифровые методы передачи информации, в частности, цифровые преобразователи угла, которые позволяют нивелировать значительную часть воздействия, оказываемого на метрологические параметры датчика различными помеховыми факторами. Рассмотрен ряд

электромеханических устройств, в которых используются оптические кодовые преобразователи параллельного и последовательного типов. Сделан вывод о перспективности применения цифровых преобразователей для измерения крутящего момента на валу.

В следующем параграфе проанализированы особенности датчиков крутящего момента, использующих элементы волоконной оптики. Показано, что применение оптоволоконной техники позволяет создать датчики КМ, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с оптическими датчиками КМ обычного типа. Рассмотрены различные варианты использования оптоволокна в существующих и гипотетических датчиках КМ. Проведенный анализ вариантов выявил преимущества цифровых волоконно-оптических датчиков КМ.

Анализ возможных путей улучшения основных характеристик датчиков КМ показал, что дальнейшее их развитие должно опираться на преимущества цифровых методов и средств измерения с учетом достижений волоконной оптики и опыта применения цифровых методов для измерения других физических величин. Критическое рассмотрение современного состояния работ по этой теме не выявило наличия ни каких-либо серьезных теоретических исследований данной проблемы, ни описания практических конструкций датчиков с расчетами их метрологических характеристик.

На основании этого определен круг нерешенных проблем, связанных с разработкой и исследованием принципов построения цифрового волоконно-оптического датчика КМ и сформулированы научно-технические задачи, необходимые для достижения основной цели данной работы.

Во второй главе диссертации на основании выводов, полученных в предыдущей главе, описан комплексный цифровой волоконно-оптический метод измерения КМ. Предложена базовая модель гипотетического цифрового волоконно-оптического датчика КМ, созданного на его основе. Схема базовой модели представлена на рис.1.

Рис.1 Схема базовой модели ЦВОДКМ

Источник светового излучения (ИИ) испускает световой поток, который проходит через волоконно-оптический жгут (ВОЖ). Этот жгут может находиться или на упругом валу, на котором измеряется крутящий момент, или на неподвижном основании. Применение волоконно-оптического жгута позволяет формировать световой поток в любом необходимом направлении. После прохождения по жгуту, излучение подвергается пространственной модуляции (кодированию) в оптическом пространственном модуляторе (ОПМ). Модулированный световой поток Попадает на фоточувствительную матрицу (ФЧМ).

Матрица может быть как однокоординатной, так и двухкоординатной. Форма фоточувствительной матрицы зависит от вида оптического пространственного модулятора. В частности, если он исполнен в виде кодовой маски, то в качестве фотоприемной матрицы может быть использована линейка фотоприемников. С нее сигнал в виде потока данных поступает на блок обработки информации (БОИ), в котором осуществляется вычисление КМ.

Для предложенной базовой модели цифрового волоконно-оптического датчика КМ проведен теоретический анализ его метрологических характеристик. Рассмотрена разрешающая способность базовой модели датчика, причем указано, что ее изменение может быть осуществлено следующими способами:

изменение параметров оптического пространственного модулятора (например, изменение ширины строк кодирующей матрицы);

изменение параметров упругого вала (например, замена материала вала, изменение формы сечения вала).

Подробно рассмотрен вопрос анализа погрешностей цифрового волоконно-оптического датчика КМ на основе его базовой модели. В основу при анализе различных составляющих погрешности положена теория погрешности цифровых преобразователей угла. Показано, что основные соотношения и положения, использующиеся для расчета параметров преобразователей угла применимы к анализу метрологических характеристик базовой модели цифрового волоконно-оптического датчика.

Выделены две основные составляющие погрешности датчика: погрешность оптического преобразования и погрешность воспроизведения. Особое внимание уделено определению различий и совпадений между обычным квантованием непрерывного аналогового сигнала и оптическим преобразованием сигнала. Рассмотрен вопрос среднеквадратической погрешности оптического преобразования. На основании того, что среднеквадратическая погрешность оптического преобразования зависит от функции этого преобразования, а также учитывая что в нашем случае функция преобразования линейна, (поскольку в пределах изменения угла скручивания упругого вала функция преобразования крутящего момента в угол имеет линейный характер), сделан вывод о постоянстве среднеквадратической погрешности на всем интервале преобразования. Исходя из анализа погрешностей получена формула для вычисления среднеквадратической погрешности измерения базовой модели:

= л/(0,315 • 0,1Дх)2 + Ах2 /12 = .[(— + 10~3)Ах2 « 0,3Лх (1)

Исследован динамический диапазон измерения цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента. Рассмотрена зависимость динамического диапазона от вида кодирующей матрицы датчика. Показано, что применение кодирующей матрицы в виде логарифмической шкалы позволяет значительно расширить динамический диапазон за счет увеличения абсолютной погрешности. В то же время относительная погрешность будет оставаться в тре-

буемых пределах. В ряде случаев может быть использована кодирующая матрица в виде шкалы, разбитой на поддиапазоны, внутри которых она линейна. Таким образом, реализуется кусочно-линейная преобразовательная характеристика, достоинством которой является то, что ее использование позволяет достичь значений динамического диапазона больших, чем при использовании системы с оптимальной (логарифмической) шкалой. Проведен анализ и расчет информационных параметров базовой модели датчика. Особо отмечено, что состав и сущность рассмотренных в информационных характеристик и параметров сохраняется и при работе в динамике, при учете частоты вращения вала и конечного времени переходных процессов при цифровом кодировании. Рассчитанные параметры базовой модели цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента показали возможность повышения точности измерения крутящего момента в 2-3 раза по сравнению с существующими методами. С учетом указанных особенностей отдельных элементов метрологические параметры модели составили:

Динамический диапазон измерений - 22,6 дБ, Приведенная погрешность - 0,35%.

Проанализированы возможности увеличения числа строк кодирующей матрицы для расширения динамического диапазона. Увеличение числа строк матрицы без уменьшения шага квантования приведет к увеличению линейных размеров матрицы, что влечет за собой необходимость увеличения угла скручивания упругого вала. Этот угол ограничен требованием сохранения линейности преобразования «крутящий момент - угол скручивания»:

180 м -

Ч =—-ргГ*удоп, (2)

ТС Сл/р

где 7доп - допустимый относительный угол скручивания упругого вала, измеряемый в градусах на метр длины. Разрешить эту задачу можно используя в качестве упругого элемента не упругий вал, а пружины, установленные таким образом, что при движении одного диска относительно другого они будут сжиматься. Так как коэффициент жесткости пружины остается неизменным при значительных деформациях, с помощью пружин могут быть достигнуты гораздо большие углы скручивания.

С другой стороны, возможно увеличение количества строк фоточувствительной матрицы за счет уменьшения шага квантования, то есть за счет уменьшения размера пикселя. Фактически это равнозначно увеличению разрешающей способности прибора. Этот путь также имеет свои ограничения, так как при этом уменьшается систематическая составляющая абсолютной погрешности, в то время как случайная составляющая будет оказывать большее влияние (вибрация, треиие в подшипниках и др.)

Далее в главе проанализированы способы уменьшения погрешности и проблема устранения неоднозначности считывания информации. Для решения задачи по устранению неоднозначности считывания цифрового кода применя-

ются различные способы: принудительное считывание, метод У-развертки, метод «двойной щетки», применение циклических кодой (код Грея).

Последний метод является наиболее предпочтительным для использования, так как не требует ни дополнительных чувствительных элементов, ни логических схем, ни управляющих устройств. При этом следует заметить, что сложность и стоимость изготовления кодирующей матрицы с кодом Грея практически не превышает сложности и стоимости создания матрицы с обычным двоичным кодом, так как при укладке волокон в волоконно-оптическом жгуте можно сформировать любой требующийся код на его торце.

Для решения задачи уменьшения погрешности разработаны два метода:

1) нониусный метод;

2) интерполяционный метод.

При использовании нониусного метода

добавляется дополнительная линейка фоточувствительных элементов (рис.2), расстояние между которыми вычисляется следующим образом:

»-(4>, (з>

где q - шаг квантования, к - номер фоточувствительного элемента, считая от основной

линейки элементов. ОООООООО

Однако, следует учесть, что если шаг квантования и размеры оптических элементов Рис'2 к пояснению нониусного (размер фотоприемной площадки чувстви- метода

тельного элемента, диаметр оптоволокна) сопоставимы, то фоточувствительные элементы нониусной шкалы должны быть расположены на большем расстоянии друг от друга. Тогда формула (3) примет следующий вид:

(4)

где р - количество дополнительно пропущенных шагов квантования между элементами нониусной шкалы. Обычно достаточно принять р= 1. Достоинством нониусного метода является то, что он позволяет уменьшить погрешность измерения, не изменяя конструкцию оптического пространственного модулятора. Проведенный расчет показал, что данный метод позволяет на порядок повысить точность измерения крутящего момента.

Предложенный интерполяционный метод повышения точности измерения КМ позволяет с высокой точностью определять координаты светового пятна. Рассмотрен процесс определения координат светового пятна при использовании ПЗС матрицы в качестве кодирующей маски и факторы, влияющие на точность этого определения. Для этого применен метод оценки параметра по максимуму функции правдоподобия. Пусть а(/) - принимаемый сигнал. Счита-

ее

в© * •

Ц¿хэ-

емг что ¿/(/гт0!уо) - известный сигнал с неизвестными оцениваемыми параметрами х0 и у0 , который принимается на фоне аддитивного нормального стационарного шума с функцией корреляции ЛГ(ггг2) = Лго5(ггг2)/2, где спектральная плотность шума. Тогда для ПЗС-матрицы со строчно-кадровым (чересстрочным) считыванием логарифм функции правдоподобия будет выглядеть следующим образом:

Тн Тн

М{у,х) = ^)-Щих,у)с11~ (5)

о о

где / - номер строки;./ - номер элемента; !/,(/) - форма выходного напряжения с одного элемента на выходе ПЗС матрицы; Гэ - период считывания элементов; Е(х,у) - распределение освещенности в плоскости матрицы; А(х,у) - форма апертуры элемента ПЗС матрицы.

Для случая, когда используется матрица с кадровым переносом, логарифм функции правдоподобия приобретет следующий вид:

Тэ

0 I ' J S3

dt (6)

За истинные значения измеряемых координат х и у принимаются те, при которых М(ху) достигает максимального значения. При определении координат светового пятна необходимо предварительно найти координаты элемента матрицы ПЗС с максимальной яркостью (при условии, что она превышает заданный порог). Затем используя измеренные значения яркости Uv центрального и окружающих его восьми элементов (для проекции светового пятна на 3x3 элементов матрицы), рассчитываем координаты его центра:

?X,U' и -и ■»♦'

So'-W""*** Дх, rfleU,oj;ue (7)

n—I

?yjUj и и

Уо = шДу+ U-' ДУ, где Uj = %U„ (8)

m-l

Потенциальная точность такого метода определения координат светового пятна может доходить до сотых долей элемента ПЗС. Однако конечная эффек-

тивность переноса заряда, неточность изготовления элементов ПЗС и другие факторы приводят к систематическим ошибкам, достигающим десятых долей элемента. Таким образом, метод позволяет уменьшить погрешность измерения в среднем в 10-15 раз.

В третьей главе предложены варианты конструкции цифрового волоконно-оптического ДКМ и проведен их сравнительный анализ. Проведенная разработка различных вариантов конструкции цифрового волоконно-оптического датчика имеет целью показать возможность создания семейства датчиков, основанных на исследованной базовой модели. Предложенные варианты проанализированы с целью выявления их особенностей и определения степени влияния конструкции датчика или схемного решения отдельных узлов на метрологические, экономические и эксплуатационные характеристики датчика.

Предложено несколько вариантов датчика:

1) вариант датчика со специальной укладкой волокон жгута;

2) вариант датчика с накладной кодовой маской;

3) вариант датчика с направляющими призмами;

4) вариант датчика с использованием фоточувствительной матрицы.

Первый вариант датчика характеризуется тем, что в нем роль пространственного модулятора играет торец волоконно-оптического жгута, оптоволокна в котором расположены таким образом, что образуют матрицу, каждая строка которой - представляет собой двоичный код (рис. За). Преимуществом данного метода является эффективное использование оптоволокон в жгуте. Количество строк п в матрице и количество оптоволокон Мзв в жгуте следует выбирать по следующим формулам: ,

па-log, 8., (9)

где 5„ - относительная погрешность.

С технологической точки зрения, создание торца ВОЖ в виде кодирующей матрицы связано с определенными трудностями (наличие соответствующей производственной базы), поэтому этот вариант датчика более подходит для крупносерийного производства датчиков, и для широкой его эксплуатации » областях, не требующих высокой точности измерения крутящего момента.

Второй вариант датчика использует специальную кодовую маску, накладывающуюся на выходной торец жгута (рис. 36). Кодовая маска может быть изготовлена методом фототравления, что дает возможность значительно повысить точность ее изготовления. Кроме того, этот вариант позволяет накладывать различные маски на торец волоконно-оптического жгута и таким образом варьировать параметры датчика в широких пределах с меньшими затратами. Еще одним преимуществом данного варианта конструкции датчика является то, что поскольку ВОЖ используется в нем в качестве линии передачи, то требования, накладываемые на него, значительно смягчаются.

Рис.3 Варианты цифрового волоконно-оптического ДКМ

Параметры кодовой маски и волоконно-оптического жгута для данного варианта конструкции следует вычислять по следующим формулам:

«йНоел, (Ю)

Существующие технологии позволяют создавать кодовые маски с шириной в доли микрометров, что позволяет использовать датчик для высокоточных измерений.

В ряде областей применения ДКМ встает вопрос обеспечения не только высокой точности измерения крутящего момента, но и высокой надежности '

датчиков. В первую очередь к ним относятся области, связанные с риском для жизни, такие как, например, измерение крутящего момента на ведущих валах летательных аппаратов. В этом случае требуется предохранить от влияния повреждающих факторов наиболее подверженный их влиянию элемент датчика -волоконно-оптический жгут. Этим требованиям отвечает третий вариант цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента, конструкцией которого предусматривается размещение жгута на неподвижном основании. Световой поток от источника излучения направляется на входной торец жгута а затем на фоточувствительную матрицу с помощью специальных призм, установленных на валу. Это позволяет значительно уменьшить вероятность повреждения волоконно-оптического жгута и тем самым повысить надежность датчика.

Преимуществами данного метода являются значительное снижение возможности повреждения или обрыва волоконно-оптического жгута и повышенная надежность работы датчика. В данной конструкции ЦВОДКМ волоконно-оптический жгут может быть использован и как кодирующее устройство и как обычная линия передачи, поэтому для него справедливы все замечания и формулы, приведенные при рассмотрении предыдущих вариантов конструкции ЦВОДКМ.

Четвертый вариант представляет собой пример использования ПЗС -матрицы для фиксирования и определения координат световых меток. Более подробно он рассмотрен в следующей главе. На основании сравнительного анализа вариантов предложена методика выбора оптимального варианта конструкции ЦВОДКМ для различных областей применения, условий эксплуатации

Истсккж сеета 'и

ПЗС-

мэтриад

П

| ^00 игуг м

N

\ 1 \ Вал Тк^о

и требований к метрологическим характеристикам, надежности и экономическим параметрам.

В четвертой главе рассмотрен вариант ЦВОДКМ с использованием ПЗС-матрицы в качестве фоточувствительного элемента. В этом варианте на выходе датчика мы имеем тот же результат что и в предыдущих вариантах датчика, однако без использования специализированных волоконно-оптических жгутов или специально изготовленных с высокой точностью кодирующих матриц. Также снимается вопрос неточности установки кольцевых наконечников, вибраций и других помех во время работы датчика, так как измеряется относительное расстояние между двумя точками, расположенными на валу. Этот вариант датчика по своим точностным параметрам практически не отличается от рассмотренных в предыдущей главе. Он является наиболее подходящим для создания экспериментального стенда. Его преимущество заключается в том, что в отличии от других вариантов, он не требует создания высокоточного узла в лабораторных условиях, так как производство ПЗС-матриц в настоящий момент широко развернуто. Они используются и в современных цифровых фотоаппаратах и в видеокамерах, то есть в приборах, оснащенных оптической системой, что значительно облегчает согласование фоточувствительной матрицы с другими элементами стенда. Кроме того, подобные цифровые устройства могут быть подключены к персональному компьютеру, для них разработан специальный интерфейс для обработки изображения, считывания необходимой информации, проведения расчетов и обработки полученных данных. Поскольку, как было показано, метрологические характеристики всех вариантов конструкции цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента в общем случае описываются одними и теми же соотношениями, можно утверждать, что результаты измерений проведенных на экспериментальном стенде, выполненном по выбранному варианту конструкции цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента, будут распространяться на все семейство датчиков крутящего момента, в том числе и на другие предложенные варианты конструкции.

Следующие параграфы посвящены исследованию экспериментального стенда, определению его метрологических характеристик и оценке применимости данного подхода при создании ЦВОДКМ. Приведена схема и внешний вид экспериментального стенда, его основные параметры, описаны его конструкция и особенности исполнения отдельных узлов. Функциональная схема стенда изображена на рис. 5.

Рис.4. Вариант датчика с ПЗС-матрицсй

12 3

Рис.5 Функциональная схема стенда

Как видно из схемы, в системе происходит три преобразования: преобразование крутящего момента в угол скручивания осуществляется упругим валом (блок 1);

преобразование угла скручивания в перемещение световой метки. Эта функция осуществляется с помощью выходных дисков (блок 2);

преобразование величины смещения метки в цифровой код осуществляется в ПЗС-матрице (блок 3).

Проведен анализ влияния конструктивных параметров стенда на точность измерения крутящего момента. Показано, что погрешность, возникающая вследствие нелинейности движения световых меток по плоскости ГОСматрицы пренебрежимо мала по сравнению с основными составляющими погрешности. Анализ полученных данных показал, что среднеквадратическое отклонение результатов эксперимента несколько превышает теоретически рассчитанный. Динамический диапазон практически совпадает с его рассчитанной величиной. Значение приведенной погрешности, а также преобразовательная функция, построенная на основе проведенных опытов приведены на рис.б. Как видно из графика, максимальное значение приведенной погрешности составляет 0,37%, что практически совпадает с рассчитанным значением.

Динамический диапазон составил 24,28дБ, что также соответствует рассчитанному значению.

0.4 0,35 „ 0,3 „- 0,25

О.

□ 0,2

I 0,15 с 0,1 0,05 0

02468 10 12 02468 10

М«Р. Нм Мкр, Км

а б

Рис.б Результаты измерений: а - приведенная погрешность, б - преобразовательная функция стенда В приложении приведены результаты экспериментов, основные технические характеристики аппаратуры, использованной при проведении экспериментального исследования.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен сравнительный анализ существующих методов и средс! в измерения крутящего момента и определены основные пути улучшения их метрологических и эксплуатационно-технических характеристик на базе использования преимуществ волоконно-оптических методов измерений и цифровых методов обработки сигналов;

2. Осуществлен синтез комплексного цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента, позволяющий повысить точность измерения в 2-3 раза; определены и проанализированы основные факторы, оказывающие влияние на метрологические и эксплуатационно-технические характеристики гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков, созданных на его основе;

3. Рассмотрены способы снижения степени воздействия негативных факторов на метрологические и эксплуатационно-технические характеристики гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков; предложены нони-усный и интерполяционный методы, уменьшающие погрешность измерения в 10-15 раз;

4. Разработано и исследовано семейство датчиков крутящего момента, основанных на цифровом волоконно-оптическом методе измерений; проведен теоретический анализ метрологических и эксплуатационно-технических характеристик предложенных вариантов датчиков; разработаны рекомендации по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации в различных вычислительно-управляющих комплексах;

5. Разработан базовый стенд для экспериментального исследования метрологических характеристик и калибровки датчиков семейства; экспериментально исследованы метрологические характеристики цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента с регистрирующим устройством на базе ПЗС-матрицы; разработаны рекомендации по применению датчиков семейства в зависимости от метрологических требований, предъявляемых к ним в различных вычислительно-управляющих комплексах.

IV. СПИСОК РАБОТ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Богатов М.В., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. Оптический динамометр на основе волоконно-оптического преобразователя "сигнал-код".// Научно-практический сборник "Электронное приборостроение". Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2000. Выпуск 3(15). С. 60-64. '

2. Богатов М.В. Цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента.// Материалы I научно-технической конференции студентов и аспирантов/ Под ред. к.т.н., доц. О.Г. Морозова. Казань, 2000. С. 14-15.

3. Богатов М.В., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. Использование нони-усного метода при цифровом измерении с помощью оптоволоконной техники.// XII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов

"Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". Гурзуф, 2000.

4. Измерение крутящего момента с помощью оптоволоконного формирователя кодирующей матрицы./ Богатов М.В., Морозов О.Г., Польский Ю.ЕУ Всероссийские Туполевские чтения студентов. Казань, 2000.

5. Богатов М.В. Особенности применения фоточувствительных матриц в кодовых оптических схемах измерения перемещений.// Научно-практический сборник "Электронное приборостроение. Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2001. Выпуск 4(20).

6. Богатов М.В. Особенности применения фоточувствительных ПЗС-матриц в системах оптической кодировки.// Материалы II научно-технической конференции студентов и аспирантов/ Под ред. к.т.н., доц. О.Г. Морозова. Ка" зань, 2001.

7. Богатов М.В., Глакхеев С.А., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. "Датчик крутящего момента (варианты)" Свидетельство на полезную модель №30001, зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.06.2003 г.

8. Морозов О.Г., Богатов М.В., Польский Ю.Е. Датчик крутящего момента: Отчет о НИР 205.05.01.54 «Бортовая волоконно-оптическая система контроля структурной целостности летательного аппарата»// КГТУ им. А.Н. Туполева; №г/р 01.2.00.305536; Казань, 2003.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,25. Усл.печ.л. 1,16. Усл.кр.-отт. 1,16. Уч.-изд.л. 1,0.

_Тираж 100. Заказ д _

Типография Издательства Казанского государственного Технического университета 420111, Казань, К.Маркса, 10

Г) <Г fâ^nrzy-O

РНБ Русский фонд

2007-4

О 5 ДПР 2004

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПУТЕЙ УЛУЧШЕНИЯ

МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Сравнительная характеристика основных методов измерения крутящего момента •

1.2. Способы и средства снятия информации о

КМ с вращающегося вала. Их основные характеристики и ограничения

1.3. Применение кодирующего преобразователя угла для измерения крутящего момента

1.4. Применение оптического волокна для измерения крутящего момента

1.5. Выводы по главе. Постановка задачи

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

ЦИФРОВОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

2.1. Цифровой волоконно-оптический метод измерения крутящего момента и базовая модель

ЦВОДКМ

2.2. Вал, как объект измерения и как элемент базовой модели цифрового волоконнооптического датчика крутящего момента.

2.3. Определение основных метрологических характеристик базовой модели цифрового волоконно-оптического метода крутящего момента

2.4. Анализ погрешностей функционального узла смещение-код" базовой модели цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента

2.4.1. Анализ погрешности квантования

2.4.2. Анализ погрешности дискретизации

2.4.3. Анализ погрешности воспроизведения уровней квантования

2.4.4. Вероятностная методика оценки погрешности базовой модели цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента

2.4.5. Вычисление параметров базовой модели

2.5. Анализ методов уменьшения погрешности базовой модели цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента

2.5.1. Проблема неоднозначности считывания информации и её влияние на погрешность' измерения. Связь информационных и точностных параметров базовой модели цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента

2.5.2. Анализ нониусного метода уменьшения погрешности измерения

2.5.3. Анализ интерполяционного метода уменьше ния погрешности. Определение координат све тового пятна

2.6. Выводы по главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

ЦИФРОВЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ

ДАТЧИКОВ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

3.1. Цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента с использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на валу, в качестве кодового преобразователя угла

3.2. Цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента с накладным кодовым преобразователем угла (кодирующей маской) и использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на валу, в качестве линии передачи

3.3. Цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента с использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на неподвижном основании

3.4. Цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента с использованием волоконно-оптического жгута, расположенного на валу и кодового преобразователя угла, выполненного в виде фоточувствительной ПЗС-матрицы

3.5. Разработка рекомендаций по применению цифровых волоконно-оптических датчиков крутящего момента в зависимости от метрологических и эксплуатационных требований различных вычислительноуправляющих комплексов

3.6. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВОГО

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

4.1. Экспериментальный базовый стенд для исследования метрологических характеристик

ЦВОДКМ

4.2. Методика проведения экспериментальных исследований на экспериментальном базовом стенде •

4.3. Исследование инструментальной погрешности экспериментального базового стенда, определяемой радиусом кривизны установочных дисков

4.4. Анализ результатов экспериментальных исследований

4.5. Метрологические характеристики семейства цифровых волоконно-оптических датчиков крутящего момента •

4.6. Выводы по главе 137 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139 ПРИЛОЖЕНИЕ 142 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ВОД - волоконно-оптический датчик, ВОЖ - волоконно-оптический жгут, ДКМ - датчик крутящего момента, КМ - крутящий момент, КПД - коэффициент полезного действия, КПУ - кодовый преобразователь угла, ПЗС - поверхностно-зарядовая связь,

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина, СИКМ - средства измерения крутящего момента, СКО - среднеквадратическое отклонение, ФЧЭ - фоточувствительный элемент, # ЦВОДКМ - цифровой волоконно-оптический датчик крутящего момента,

ЭВМ - электронно-вычислительная машина, ЭМС - электромагнитная совместимость.

Актуальность темы. Современные информационно-измерительные системы, применяемые в энергетике, нефтегазодобывающей отрасли, на транспорте, представляют собой сложные вычислительно-управляющие комплексы, содержащие как собственно электрические, так и электромеханические устройства. Основой электромеханических устройств, как правило, являются вращающиеся валы, предназначенные для передачи механической энергии от силовых агрегатов к исполнительным. Диапазон применения указанных электромеханических устройств чрезвычайно широк: от приводов и шаговых двигателей дисковых накопителей и устройств чтения оптических дисков до ведущих валов турбин, двигателей летательных аппаратов и электрических машин.

Повышение эффективности метрологического контроля параметров вращения валов обеспечивает повышение эффективности вычислительно-управляющих комплексов в целом. Одним из важных параметров, требующих постоянного контроля, является крутящий момент (КМ), по которому оцениваются основные характеристики указанных комплексов (мощность двигателей, КПД, динамика нагрузочных характеристик и т.д.).

Тематика и постановка задач, решаемых в данной диссертации определена планами научных исследований, являющихся составной частью Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.» и Федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.», выполняемых на кафедре радиоэлектронных и квантовых устройств Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Для экспериментального определения КМ применяются разнообразные измерительные методы и средства, отличающиеся друг от друга различной степенью сложности, метрологическими характеристиками, областью применения и т.п. Повышение требований к точности измерения КМ определяет необходимость улучшения точностных характеристик датчиков КМ и измерительных преобразователей, входящих в их состав, повышения помехоустойчивости (в частности, решения вопросов улучшения электромагнитной совместимости), уменьшения массогабаритных показателей, повышения надежности при эксплуатации в неблагоприятных условиях. Выполнение этих требований в рамках существующих методов связано с большими затратами и ведет к значительному усложнению конструкции датчиков КМ.

Современный этап развития датчиков КМ основывается на использовании новых (для данной области измерений) методов, имеющих значительный потенциал. Особое место среди них занимают методы, основанные на применении элементов оптоволоконной техники, что позволяет заметно повысить метрологические характеристики датчиков КМ, повысить их помехоустойчивость, расширить область применения, снизить требования, связанные с условиями эксплуатации, упростить конструкцию и уменьшить затраты, связанные с их изготовлением.

Не менее важное место занимает использование цифровых методов для измерения крутящего момента (КМ). Учитывая то, что в настоящее время большое распространение получили интегрированные системы сбора и обработки информации, которые объединяют все датчики вычислительно-управляющего комплекса в единую измерительную сеть на основе высокопроизводительных микропроцессоров, цифровые методы измерения КМ являются наиболее предпочтительными.

Таким образом, применение комплексного решения основанного на синтезе датчиков КМ, использующих оптоволоконные и цифровые методы измерений может заметно повысить метрологические, эксплуатационные и другие характеристики датчиков КМ.

Следует отметить, что в данном направлении проводился ряд исследований как иностранными (Fuhrer J., Maghoo М., Окоси Т.), так и отечественными учеными (А.С.Капустин, В.М.Гречишников, П.И.Марков, В.Л.Заковоротный, П.Майоров). Публикации указанных авторов, посвященные разработке либо цифровых, либо волоконно-оптических датчиков КМ, содержат в себе решения лишь частных вопросов. В их работах не ставилось целью создание и анализ характеристик комплексных цифровых волоконно-оптических датчиков КМ (ЦВОДКМ). Это обстоятельство не позволяет сделать обоснованный выбор вида и параметров ЦВОДКМ, обеспечивающий выигрыш в их точностных характеристиках и повышении помехоустойчивости. Остается также неясным, как следует строить ЦВОДКМ в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации в различных вычислительно-управляющих комплексах.

Отсутствие четких и обоснованных рекомендаций по этим вопросам приводит к тому, что чаще всего, разработанные датчики КМ не обеспечивают требуемых характеристик измерительного преобразования, что существенно ограничивает круг решаемых ими задач.

Цель работы Разработка и исследование комплексного цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента и создание на его основе семейства датчиков, обеспечивающих улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса.

Основные задачи исследований:

1) сравнительный анализ существующих методов и средств измерения крутящего момента и определение основных путей улучшения их метрологических и эксплуатационно-технических характеристик на базе использования преимуществ волоконно-оптических методов измерений и цифровых методов обработки сигналов;

2) синтез комплексного цифрового волоконно-оптического метода измерения крутящего момента; определение и анализ основных факторов, оказывающих влияние на метрологические и эксплуатационно-технические характеристики гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков, созданных на его основе;

3) разработка способов снижения степени воздействия негативных факторов на метрологические и эксплуатационно-технические характеристики гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков;

4) разработка и исследование семейства датчиков крутящего момента, основанных на цифровом волоконно-оптическом методе измерений; теоретический анализ метрологических и эксплуатационно-технических характеристик предложенных вариантов датчиков; разработка рекомендаций по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации в различных вычислительно-управляющих комплексах;

5) разработка базового стенда для экспериментального исследования метрологических характеристик и калибровки датчиков семейства; экспериментальное исследование метрологических характеристик цифрового волоконно-оптического датчика крутящего момента с регистрирующим устройством на базе ПЗС-матрицы; разработка рекомендаций по применению датчиков семейства в зависимости от метрологических требований, предъявляемых к ним в различных вычислительно-управляющих комплексах.

Методы исследований. Достоверность и обоснованность решаемых задач обеспечивается правильным выбором методов теоретического анализа и детальным сопоставлением его результатов с результатами экспериментальных исследований. При выборе концепции создания цифрового волоконно-оптического метода использовался системный анализ. При решении поставленных задач использованы математический аппарат теории вероятностей и математической статистики и линейное программирование с использованием современных средств вычислительной техники.

Научная новизна работы заключается в следующем: предложены цифровой волоконно-оптический метод измерения крутящего момента и принципы построения семейства датчиков на его основе, обеспечивающих улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса; проведен теоретический анализ метрологических и эксплуатационно-технических характеристик гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков и изучены основные факторы, оказывающие влияние на указанные характеристики; получены соотношения для определения метрологических характеристик датчиков; проведена оценка вариантов улучшения метрологических характеристик цифровых волоконно-оптических датчиков крутящего момента и предложены нониусный и интерполяционный способы для их реализации; на базе комплексного цифрового волоконно-оптического метода и указанных способов разработаны схемы датчиков семейства; теоретически изучены их метрологические и эксплуатационно-технические характеристики; разработан базовый стенд для экспериментальной проверки метрологических и эксплуатационно-технических характеристик датчиков семейства; получены экспериментальные данные, хорошо согласующиеся с теоретическими, и подтвердившие улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса; даны обоснованные рекомендации по выбору варианта датчика из семейства в зависимости от метрологических и эксплуатационно-технических требований, предъявляемых к ним в различных вычислительно-управляющих комплексах.

Практическая ценность работы состоит в следующем: разработано и создано семейство цифровых волоконно-оптических датчиков, обеспечивающих улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса; создан базовый стенд, позволяющий проводить экспериментальные исследования датчиков семейства и осуществлять их статическую калибровку; указанные разработки внедрены в Казанском приборостроительном конструкторском бюро (соответствующие документы прилагаются); результаты исследований использованы при выполнении НИР по федеральной научно-технической программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.», выполняемых на кафедре радиоэлектронных и квантовых устройств КГТУ им. А.Н. Туполева; результаты исследований внедрены и используются в учебном процессе в КГТУ им. А.Н. Туполева.

Основные положения работы, выносимые на защиту: цифровой волоконно-оптический метод измерения крутящего момента и принципы построения семейства датчиков на его основе, обеспечивающие улучшение метрологических и эксплуатационно-технических характеристик измерительных средств указанного класса; результаты теоретического анализа метрологических и эксплуатационно-технических характеристик гипотетических цифровых волоконно-оптических датчиков и изучения основных факторов, оказывающих влияние на указанные характеристики; полученные соотношения для определения метрологических характеристик датчиков; результаты оценки вариантов улучшения метрологических характеристик цифровых волоконно-оптических датчиков крутящего момента; нониусный и интерполяционный способы для их реализации; схемы датчиков крутящего момента, разработанные на базе комплексного цифрового волоконно-оптического метода и указанных нониус-ного и интерполяционного способов; базовый стенд для экспериментальной проверки метрологических и эксплуатационно-технических характеристик датчиков семейства; результаты экспериментальных исследований метрологических и эксплуатационно-технических характеристик датчиков семейства; выработанные рекомендации по выбору варианта датчика из семейства в зависимости от метрологических и эксплуатационно-технических требований, предъявляемых к ним в различных вычислительно-управляющих комплексах.

Апробация работы. Результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на I и II научно-технических конференциях студентов и аспирантов, г. Казань, 2000, 2001 гг.; на IX Всероссийских Ту-полевских чтениях студентов, г. Казань, 2000 г.; на XII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (ДАТЧИК-2000), г. Гурзуф, 2000 г.; на итоговой конференции Минобразования РФ по результатам выполнения федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 20022006 гг.», г. Москва, 2004 г.; на итоговых конференциях КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань, 2000-2003 гг.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 6 печатных работах, получено одно свидетельство на полезную модель.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации: 134 страницы, в том числе 28 рисунков, список литературы из 76 наименований, приложения на 10 страницах.

4.6. Выводы по главе

В результате исследований, проведенных в гл.4 получены следующие результаты:

1) разработан экспериментальный базовый стенд для исследования метрологических характеристик семейства ЦВОДКМ. построенный на основе датчика с использованием расположенного на валу волоконно-оптического жгута и кодового преобразователя угла, выполненного в виде фоточувствительной ПЗС-матрицы;

2) разработана методика проведения экспериментальных исследований, позволяющая оценить метрологические характеристики семейства ЦВОДКМ;

3) проанализированы составляющие инструментальной и аппаратной погрешностей экспериментального базового стенда, определяемые радиусом кривизны установочных дисков и числом строк кодового преобразователя угла. Показано, что их значение достаточно мало и может быть учтено с помощью нониусного и интерполяционного методов снижения погрешности измерения ЦВОДКМ;

4) получены экспериментальные данные, хорошо подтвержденные теоретически, которые позволили определить основные метрологические характеристики как экспериментального базового стенда, так и других разработанных ЦВОДКМ семейства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дополнительные замечания и предложения

Тематику данной работы рекомендовать к продолжению.

Лоедседатель комиссии

Солдаткин В.М.

Члены комиссии 5

200? г.

АКТ

1. Кац СМ. Балансирные динамометры для измерения вращающего момента.-M.i Госэнергоиз дат, 1962.

2. Фролов Л.Б. Измерение крутящего момента. - М.: Энергия, 1967.

3. Одинец С., Топилин Г.А. Средства измерения крутящего момента. - М,: "Машиностроение", 1977,

4. Оптический динамометр Д.Лачинова. // Электричество, 1880 №1.

5. Форейт И. Емкостные датчики неэлектрических величин. 1966.

6. Электромеханические преобразователи угла с электрической редукцией. / Под ред. А.А. Ахметжанова. - М.: Энергия, 1978.

7. Проектирование датчиков для измерения механических величин. / Под ред. Е.П. Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979.

8. Прецизионные датчики угла с печатными обмотками. / Л.Н. Сафонов, В.Н. Волнянский, А.И. Окулов, В.Н. Прохоров. - М.: Машиностроение, 1977.

9. Оптоэлектронные и электромагнитные датчики механических величин: Сб. научн. тр. - Куйбышев: КуАИ, 1988.

10. Бесконтактный измерительный преобразователь крутящего момента. / Экспресс-информация, сер. Контрольно-измерительная техника, 1992 №43.

11. Аксененко В.Д., Аксененко Д.В., Матвеев СИ. Преобразователь угла в код на основе цифрового сигнального процессора. / Приборостроение, 2001 №8.

12. Сутормин A.M., Эрмантраут М.Р. Измерительный преобразователь "угол-код" с высокой разрешающей способностью. / Приборы и техника эксперимента, 1995 №3.

13. Волоконно-оптический преобразователь угловых перемещений со спектральным кодированием. / Экспресс-информация, сер. Контрольно-измерительная техника 1995 №7.

14. Пат. RU 7 G 01 L 3/10 Магнитоупругий датчик крутящего момента. / Масленников B.C., Шаршунов Ю.Е., Наворотский В.В. ( ООО Опытно-промышленная фирма "ЭЛТРОН") № 2001 106 256/28, 05.03.2001.

15. Пат. RU 7 G 01 L 3/10 Магнитоупругий преобразователь крутящего момента. / Манукян А. № 1206634, 1993.

16. Пат. RU 7 G 01 L 3/10 Магнитоупругий датчик крутящего момента. / Манукян А., Ширинян П.А., Гамбарян А.А. № 1117467, 1993.

17. Современное состояние и перспективы развития средств связи крутящего момента / Успенский В.В., Вандышев Б.А., Жбырь СИ. - М.: Госстандарт, 1974.

18. Домрачев В.Г., Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла: Принципы построения, теория точности, методы контроля. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

19. Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах управления: Пер. с англ. / Под ред. А.С. Яроменка. - М.: Энергоиздат, 1981.

20. Гарколь Н.С., Сучкова Л.И., Тушев А.Н., Якунин А.Г, Оптико- электронный датчик линейных смещений для спирометрических исследований. // Приборостроение, 2002 №4.

21. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, X. Нисихара, К. Кюма, К. Хататэ; Под ред. Т. Окоси. Пер. с япон.. -Д . : Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.

22. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: измерительные преобразователию Л.: Энергоатомиздат, 1983.

23. Холловские преобразователи угловых перемещений. / Экспресс- информация, сер. Контрольно-измерительная техника 1993 №8.

24. Конюхов Н.Е. Электромагнитные датчики механических величин. - М.: Машиностроение, 1987.

25. Козярук А.Е., Россо Т.О. Электромеханические преобразователи поворотно-угловых перемещений. // Приборостроение, 2002 №8.

26. Пат. RU 6 G 01 С 9/00 Измерительное устройство. / Адушкин А.В., Головкин В.П., Гончаров А.И., Спивак А.А. (Институт динамики геосфер РАН)№ 96101897/28, 07.10.1998.

27. Пат. RU 6 G 01 L 1/24 Пьезооптический измеритель механических величин. / Адушкин А.В., Головкин В.П., Гончаров А.И., Спивак А.А. (Институт динамики геосфер РАН) № 96101979/28, 07.10.1998.

28. Пат. RU 7 G 01 L 3/10 Устройство для измерения крутящего момента. / Жеребятьев К.В., Нестеров В.Н. (Акционерное общество "Автоваз") № 2000130581,27.11.2002.

29. Пат. RU 6 G 01 L 1/22 Устройство для измерения осевого усилия и крутящего момента гребного винта судна. / Беззубик О.Н., Беляшов В.А., За-чек П.Г. (Центральный научно-исследовательский институт им. акад. А.Н. Крылова) № 2115900, 20.07.1998.

30. Пат. RU 6 G 01 L 3/14 Гидравлический измеритель крутящего момента. / Султанов Б.З. (Уфимский нефтяной институт) № 959512, 27.11. . 999.

31. Пат. RU 7 G 01 L 5/24 Способ контроля крутящего момента и пневматическое устройство для его реализации/ Ланщиков А.В., Моисеев В.Б., Трилисский В.О., Федин СВ. (Пензенский технологический институт (ВТУЗ)) № 2199099, 20.02.2003.

32. Домрачев В.М, Сигачев И.П., Синицын А.П,Прецизионный синусно- косинусный преобразователь. // Измерительная техника, 1997 №7.

33. Датчики теплофизических и механических параметров.: Справочник в трех томах / Под ред. Ю.Н. Коптева. - М.: Радиотехника, 1998.

34. Датчики и устройства систем управления и контроля. Сб. науч. трудов. - КуйбАИ, 1985.

35. N.A. Hallywell. Measurement of oscillatory and vibrational motion. Europian Patent specification, 1983.

36. Неразрушающая техника определения случайных нагрузок и их анализ. / Экспресс-информация, сер. Контрольно-измерительная техника 1995 №23.

37. Измеритель крутящего момента для профилактического контроля приводов. / Экспресс-информация, сер. Контрольно-измерительная техника 1993 №18.

38. Бесконтактный измерительный преобразователь крутящего момента. / Экспресс-информация, сер. Контрольно-измерительная техника 1992 №43.

39. Зверев А.Е,, Максимов В.П., Мясников В.А. Преобразователи угловых перемещений в цифровой код.

40. Бусурин В.И., Семенов А.А., Удалов Н.П. Оптические и волоконно- оптические датчики. // Квантовая электроника, 1985. т. 12 №5, с.901-944.

41. Конюхов Н.Е., Плют А.А., Шаповалов В.М. Оптоэлектроннве измерительные преобразователи. -Л. : Энергия, 1977,

42. Волчихин В.И., Мурашкина Т.И. Проблемы создания волоконно- оптических датчиков. // Датчики и системы, 2001 №7.

43. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

44. Иванов B.C., Котюк А.Ф., Кузин А.Ю. Волоконно-оптические датчики, как элементы систем дистанционной.передачи размеров единиц физиче-ских величин и их многофункциональных преобразований. // Измерительная техника, 1998 №10.

45. Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. -М. : Энергоатомиздат, 1989.

46. Красюк Б.А. Световодные датчики. - М.: Машиностроение, 1990.

47. Недавний А.П., Соколова Е.А. Волоконно-оптические датчики параметров движения (по данным отечественной и заруб. Печати за 1975 -1990г.). ЦНИИ "Электроника" (обзоры) Выпуск 10. 1990.

48. Волоконно-оптический преобразователь угловых перемещений со спектральным кодированием. / Экспресс-информация, сер. Контрольно-измерительная техника 1995 №7.

49. Промышленные отражательные волоконно-оптические измерительные преобразователи. / Экспресс-информация, сер. Контрольно-измерительная техника 1995 №10.

50. Современные одномодовые волоконно-оптические измерительные преобразователи. / Экспресс-информация, сер. Контрольно-измерительная техника 1995 №11.

51. Бадеева Е.А., Мещеряков В.А., Мурашкина Т.И. Классификация амплитудных волоконно-оптических преобразователей. // Датчики и системы. 2003 №2.

52. Домрачев В.Г., Смирнов Ю.С. Цифро-аналоговые системы позиционирования, 1990.

53. Домрачев В.Г., Матвеевский В.Р., Смирнов Ю.С. Схемотехника цифровых преобразователей перемещения. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

54. Ильин Г.И., Польский Ю.Е. Динамический диапазон и точностные характеристики оптоэлектронных и радиотехнических измерительных систем. // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. - М.: ВРШИТИ, 1989. -Т.39. !59

55. Оптический динамометр на основе волоконно-оптического преобразователя "сигнал-код". / Богатов М.В., Морозов О.Г., Польский Ю.Е./ научно-практический сборник "Электронное приборостроение". - Выпуск 3(15). - 2000, стр. 60-64.

56. Богатов М.В. Особенности применения фоточувствительных матриц в кодовых оптических схемах измерения перемещений. /Научно-практический сборник "Электронное приборостроение". - Выпуск ( ). -2001.

57. Анурьев В.И. Справочник машиностроителя: в 3-х томах, 8-е изд., пере- раб.,-М.: 2001.

58. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. - Изд. 2-е, перераб. И доп. - М.: Советское радио, 1980.

59. Введение в курс теории информации.

60. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью, 1991.

61. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: учеб для вузов, 2000.

62. Оптический динамометр Д.Лачинова. // Электричество, 1880 №1.

63. Потемкин Функциональные узлы цифровой автоматики. - М.: Энерго- атомиздат, 1988.

64. Шень А. Программирование: теоремы и задачи. - М.: МЦНМО, 1995.

65. Schroyer; Kenneth (Slidell, LA). Digital torque meter system. / Пат. CILIA № 4,345,481, КЛ. GOIL 003/12, 1982.

66. HaTSUGOI L 3/08 Оптоэлектронный торсиометр X» 892241 Бюл. № 47,1980 г.

67. ГОСТ 24643-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения поверхностей. Числовые значения.

68. Фалькович СЕ. Оценка параметров сигнала. - М.: Советское радио, 1970. -336 с.

69. Лебедев Н.В. Измерение координат точечного объекта телевизионной камеры на ПЗС. - ТСС, ТТ, 1978, вып.6, с.25-34.

70. Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. - М.: Советское радио, 1978. - 296с.