Дипломная работа: Измерительный контроль

Дисперсию тока дробового шума в полосе частот определяют по формуле Шоттки:

 (21)

где - заряд электрона; =;

- среднее значение тока в приемнике. Из паспортных данных приемника

 А

- частота.

А

 А

Протекая по нагрузочному сопротивлению , ток дробового шума создает напряжение шума:

 (22)

 В

 (23)

По результатам энергетического расчета можно сделать 2 заключения:

1.Дисперсия отсчетов, вызванная шумовыми флуктуациями сигнального тока пренебрежительно мала;

2. Уровень сигнала соответствует дополнительной ошибки равной 17 мВ, что позволяет использовать простой 10 бит АЦП для управления шкалы индикатора без дополнительного усилителя.

6.АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ УСТРОЙСТВА

Процесс функционирования устройства контроля плоскостности сопровождается погрешностями (потерей информации), которые определяют точность измерения. Погрешность измерения обусловлена потерей информации, возникающими до преобразования входного сигнала в приборе, непосредственно в процессе преобразования и при регистрации (обработке) результатов.

 Погрешности из-за потери информации до преобразования ее в приборе, а также при регистрации и обработке, называют методическими погрешностями.

 Погрешности, обусловленные потерей информации в самом устройстве называют инструментальными погрешностями.

 (23)

6.1 Методические погрешности

Методические погрешности обусловлены ошибочностью или недостаточностью разработки принятой теории метода функционирования прибора в целом, допущениями в отношении объекта сигнала или канала прохождения сигнала и т.п. Измерительный процесс, выполняемый с помощью лазерного излучения, на котором основан принцип работы устройства имеет большую пространственную протяженность, поэтому в цеховых условиях не представляется возможность создать пространственно стабильные, однородные и изотропные температурные, световые и другие условия для обеспечения оптимальной работы лазерных измерительных систем.

На точность работы с помощью лазерного излучения большое влияние оказывают воздушный тракт и среда, разделяющие лазерный излучатель и координатный фотоприемник.

В результате теоретических и экспериментальных исследований [6] установлена степень влияния воздушной среды на точность измерений с помощью лазерного излучения, определены основные погрешности, вносимые воздушным трактом в процессе измерения.

Лазерное излучение, распространяющееся в неоднородной воздушной среде, претерпевает ряд изменений под влиянием различных факторов. Основные из них изменений можно разделить на следующие группы:

- Ослабление излучения, происходящего за счет поглощения и рассеивания энергии;

- Рефракция лазерного луча за счет изменения средней величины коэффициента преломления среды по длине воздушного тракта;

- Случайной рассеивание излучения, обусловленное флуктуациями показателя преломления среды.

 (24)

6.1.1 Ослабление излучения лазерного диода в воздушном тракте и его влияние на точность работы измерительной системы

При расчетах поглощений лазерного излучения необходимо с высокой точностью знать положение центров линий поглощения и линии излучения лазерного диода. Для выбранного нами диода, работающего на длинах волн 0,65 нм, нет ближних линий поглощения атмосферных газов, поэтому поглощение излучения воздушным трактом на этой длине волны будет незначительным.

В атмосфере производственных помещений находится всегда определенное количество пыли, частиц дыма, испарения, размеры которых могут быть значительно больше длины волны.

Учитывая, что длина воздушного тракта не превышает 100 метров, влиянием ослабления излучения можно пренебречь.

6.1.2 Рефракция лазерного луча

Влияние рефракции на траекторию лазерного луча (l=0.65 нм) аналогично влиянию на белый световой луч и имеет сезонную и суточную периодичность.

Погрешность от регулярных рефракций определяется зависимостью:

 (25)

где -коэффициент земной рефракции (0,14);

-длина воздушного тракта (17м);

-земной радиус (6380 км).

В цеховых помещениях заводов температурный градиент достигает 0,1…0,2˚С/ м и более. При этих условиях рефракция достигает ± 0,003… ± 0,006 мм при длине воздушного тракта до 17 метров.

 Погрешности от рефракции лазерного луча можно отнести к систематическим, если их рассматривать для одной конкретной схемы контроля изделий. С изменением схемы контроля, при которой изменяется угол между направлением лазерного луча и градиентом показателя преломления среды, эту погрешность следует оценивать как случайную.

6.1.3 Погрешности центрирования от флуктуации показателя преломления воздушного тракта

Флуктуация тепловых неоднородностей в воздушном тракте являются причиной дрожания луча.

Луч лазерного диода, упавший на какой- либо элемент s1 неоднородности, отклоняется на малый угол δφ1 и попадает на элемент s2, который, в свою очередь отклоняет луч на элементарный угол δφ2 и т.д. В результате прохождения луча через толщу неоднородностей он претерпевает n случайных независимых процессов отклонения от n неоднородностей. Для анализа суммарного эффекта таких процессов применяют статистические методы.

Среднеквадратическая погрешность смещения реперной оси лазерного луча от действия неоднородностей турбулентного тракта принимает вид:

 (26)

где ∆t – изменение температуры воздушного тракта (в цеховых помещениях от 0,01 до 0,1˚С);

t- температура в цехе ( для средней полосы от 10˚С до 27˚С);

l- длина воздушного тракта.

(27)

Подставляя значение (26) и (28) в выражение (25) получаем

0.003 мм

6.2 Инструментальные погрешности

Инструментальные погрешности подразделяются на теоретические, технологические и эксплуатационные.

В данном случае к инструментальным погрешностям относятся отклонения от расчетных значений характеристик деталей и погрешности электронного измерительного канала.

К инструментальным погрешностям значений характеристик деталей относится:

·  Показатели преломления;

·  Модуль упругости;

·  Коэффициент линейного расширения.

Погрешности размеров и форм деталей:

·  Погрешность радиусов кривизны (0.003мм);

·  Погрешности формы рабочих поверхностей линз (0.001).

Погрешность расположения и деформации деталей:

·  Децентрировка линз (0.001 мм);

·  Деформация линз (0.003мм);

·  Погрешность значений воздушных промежутков (0.01 мм).

Погрешность от поворота пентапризмы:

Погрешностью поворачивающейся пентапризмы является отклонение проходящего через него пучка лучей. Наклоны пентапризмы происходят из-за зазоров направляющих вращение призмы.

Рассмотрим возможные наклоны призмы относительно осей декартовой системы координат.

рис.20. Наклоны призмы относительно осей декартовой системы координат.

Наклон вокруг оси Х не влияет на положение проходящего через призму луча, благодаря инвариантному свойству призмы в главном сечении.

Наклон вокруг оси У не вносит погрешность, т.к. в этом направлении не происходит измерение.

Наклон вокруг оси Z (ось визирования) вносит погрешность измерения, которые относятся к разряду косинусной погрешности.

Оценим величину этой погрешности для габаритов нашей системы.

Угол наклона призмы определяется по формуле (28).

 (28)

Где α – угол наклона призмы;

- величина зазора в направляющих (0.005 мм);

L – расстояние между подшипниками направляющих(80мм).

6,25·10-5

Определим величину погрешности в относительных величинах

 (29)

 0.001мм

Таким образом, погрешность от наклона призмы не превышает 0,1% от измеренной величины.

Эксплуатационные погрешности:

·  Погрешность чувствительности приемника (0.003 мм);

·  Погрешность излучательной способности (0.009мм);

·  Погрешность отсчета (электронная обработка 0.0001 мм).

Погрешности электронного измерительного канала.

Погрешности электронного тракта являются инструментальными погрешностями, но с другой стороны они разделяются на случайные и систематические.

Систематические погрешности при достаточном уровне исследования могут быть скомпенсированы и учтены и входят в состав дополнительной ошибки.

Случайные погрешности не могут быть скомпенсированы и учтены, и входят в основную ошибку прибора.

Проведем анализ составляющих погрешностей звеньев схемы обработки сигнала, а затем уточним их величину и возможность компенсации систематических составляющих.

Первым звеном электронной системы обработки сигнала является измерительный преобразователь — фотодиод и именно он определяет возможный динамический диапазон этой системы.

Фотодиод, как источник ошибок измерения, можно охарактеризовать уровнем темнового тока, температурным коэффициентом абсолютной чувствительности фотодиода, уровнем шумового тока и восприимчивостью к электромагнитным помехам внешних источников. Безусловно не надо забывать и о зависимости относительной спектральной чувствительности от температуры. Однако эти температурные вариации существенны в основном на краях рабочего спектрального интервала приемника излучения. При выборе приемника излучения стремимся к обеспечению возможности работы приемника в области максимальной чувствительности, а, следовательно, и вдали от красной и синей границ его спектрального диапазона.

Темновой ток фотодиода и температурная зависимость абсолютной чувствительности достаточно хорошо изученные зависимости. Как отмечают многое авторы, величина темнового тока конкретного прибора может служить мерой температуры его перехода в соответствии с известным выражением для тока полупроводникового диода:

 (30)

Где Id - ток фотодиода в конкретном режиме с начальным темновым током;

I0(Т) зависящем от температуры;

V — напряжение на переходе, которое зависит от схемы использования;

е — заряд электрона (1,6*10^-19 Кл);

k — постоянная Больцмана (1,38*10^-23);

T — абсолютная температура перехода.

Шумовые свойства и восприимчивость к электромагнитным помехам зависят и от исходных свойств материала, технологии изготовления и конструктивного оформления прибора и от режима работы прибора. В соответствии с особенностями решаемых в настоящей работе задач, имеется возможность работы приемника излучения на основе собственного поглощения материала не используя дополнительного легирования для смещения красной границы фотоэффекта. Выше проводилось обоснование выбора типа приемника излучения и его режима работы для обеспечения линейности световой характеристики в большом динамическом диапазоне освещенности или энергетической облученности.

Использование схемы обработки сигнала без предварительной модуляции полезного сигнала приводит к необходимости учета сверх-низкочастотных шумов фотоприемника и входа электронной схемы.

Температурные дрейфы всех усилительных каскадов приведенных ко входу АЦП определят дополнительную систематическую аддитивную погрешность, в то время как температурная зависимость абсолютной чувствительности приемника излучения, температурная зависимость коэффициента передачи канала усиления сигнала приемника излучения и погрешность напряжения опорного источника напряжения формируют величину дополнительной систематической мультипликативной температурной погрешности измерения.

Погрешности АЦП необходимо разделить на методические и инструментальные. Так как даже идеальный квантователь ограниченной разрядности имеет ступенчатую функцию преобразования h(u), то представление реальной аналоговой величины u(t) возможно только с погрешностью;

Где g — номинальная ступень квантования;

Fr — символ обозначающий дробную часть числа.

Используемые в составе рабочего средства измерения АЦП двойного интегрирования характеризуются следующими параметрами: число однозначных ступеней квантования равно 1999, погрешность преобразования соответствует ± 1 емр (единица младшего разряда АЦП), погрешность поддержания опорного напряжения за время преобразования 0,2%, дополнительная температурная погрешность ±1 емр при изменении температуры от 10 и до 40 °C. Дополнительной инструментальной погрешностью будет погрешность опорного напряжения.

Если учесть, что для удобства работы с прибором выбран переход между шкалами по аналоговому сигналу равный 10 , то погрешность представления результата измерения будет:

 (32)

Где f6 — составляющая основной погрешности прибора согласно рекомендациям МКО;

k — коэффициент перехода между шкалами;

d — погрешность квантования;

P — максимальное число квантований.

Величина погрешности получается равной 0,02%.

Проведем рассмотрение прохождения аддитивной составляющей ошибки измерения под воздействием температуры. Диапазон вариаций температуры окружающей среды должен соответствовать ТЗ на создаваемые приборы, для случая приборов цехового контроля этот диапазон обычно ограничивается 20°C.

Погрешности и возмущения отдельных звеньев проявляются в показаниях прибора с учетом коэффициента связи конкретного звена.

Первое звено электронной схемы — фотодиод является звеном с наибольшим разбросом параметров, как в части спектральных свойств, так и в части абсолютной чувствительности.

Начальное смещение сигнальной характеристики компенсируется в звене согласующего каскада сигналом компенсатора начального смещения.

Величина темнового тока зависит от температуры в соответствии с изменением темнового тока:

 (33)

Тогда систематическая погрешность смещения фотодатчика может быть выражена:

Где Ku — коэффициент передачи канала от фотодатчика до измерительного АЦП.

Для типового датчика при допустимом интервале изменении температуры окружающей среды величина этой компоненты аддитивной составляющей погрешности измерения оценивается в относительных величинах 0,2 % на младшей шкале прибора.

Как уже отмечалось выше, температурная погрешность опорного источника проявляется, в том числе, в виде смещения компенсации начального уровня. В практике цифровых приборов среднего уровня точности, особенно переносных и малогабаритных, широко используются опорные источники на базе полевого транзистора с p/n переходом. По данным фирмы Siliconix они характеризуются следующими параметрами:

номинальный ток стабилизации — 0,22 до 4,7 мА

Допуск — 10%

Температурный коэффициент — 0,15 %/°C

Эта температурная погрешность проявляется через величину сигнала компенсирующего начальное смещение и влияние этой погрешности будет тем больше чем больше будет начальное смещение фотодатчика.

С учетом выше сказанного можно написать выражение для зависимости аддитивной составляющей систематической погрешности источника опорного напряжения в виде:

Операционные усилители используемые в составе схемы тоже вносят свой вклад в аддитивную погрешность прибора. С точки зрения ухода начала шкалы прибора все операционные усилители характеризуются величиной начального смешения и его температурным коэффициентом, а так же величиной начальных входных токов, их разностью и их температурным коэффициентом. При правильно спроектированной схеме токовой температурной зависимостью можно пренебречь, и в этом случае остается температурный дрейф начального смещения.

Величина начального смещения усилителя компенсируется в процессе настройки прибора, а температурный коэффициент отдельных звеньев приводит к дополнительной погрешности. Если ввести обозначение для коэффициента передачи от входа данного каскада до входа АЦП вида Kik то выражение для температурного смещения показания прибора из-за дрейфа входных цепей ОУ напишем в виде :

Где aik — температурный коэффициент i-того каскада.

В случае использовании указанных выше приборов температурный дрейф можно оценить величиной 90 мкВ / К, что при перепаде температуры в 20°C приведет к погрешности в 0,2% относительной величины на младшей шкале прибора.

Кроме влияния окружающей температуры, на показания прибора в принципе оказывает влияние изменение напряжения питания электронной схемы. Эти воздействия производятся через смещения начального уровня ОУ и через изменение коэффициента сбора носителей фотодатчика. Современные ОУ характеризуются коэффициентом подавления влияния источника питания на уровне от 90 до 120 дб и нестабильность на уровне долей вольта не оказывает заметного влияния на показания прибора.

Под влиянием вариаций температуры происходят процессы приводящие и к изменению коэффициентов передачи отдельных звеньев. В частности приемник излучения при температурах в близи нормальных характеризуется температурным коэффициентом равным - 0,003 /°С. Отмеченная выше температурная погрешность источника опорного напряжения приводит не только к смещению начального уровня , но и к изменению чувствительности АЦП.

Положительный температурный коэффициент опорного источника приводит к возрастанию величины опорного напряжения, что с учетом используемой схемотехники приводит к уменьшению чувствительности прибора.

 Выражение для зависимости приведенной чувствительности от изменения рабочей температуры можно привести в виде:

В соответствии с этим выражение для мультикативной составляющей систематической дополнительной температурной ошибки примет вид :

Мультипликативная погрешность является дополнительной и систематической и может быть скомпенсирована в процессе обработки сигнала. Если подставить численные значения температурных коэффициентов в предыдущее выражение, то можно написать выражения для учета этой компоненты систематической погрешности.

Где Ei и Ek — измеренные и компенсированные значения энергетической яркости.

Для оценки относительной величины вклада отдельных составляющих погрешности приведем сводную таблицу №4 для электронного измерительного канала.

Таблица №4

Как видно из таблицы, основной вклад в погрешность измерения электронного канала вносят температурные зависимости чувствительности и начального тока фотодиода и источника опорного напряжения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7