Оптоэлектронные аналого-цифровые преобразователи перемещений временного типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Потомский, Сергей Юрьевич

• Потомский, Сергей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Потомский, Сергей Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

§1. Общая характеристика существующих типов АЦП перемещений.

§2. Общая характеристика преобразователей перемещений фазового типа.

§3. АЦП перемещений с преобразованием временного интервала в код.

§4. Оптоэлектронные преобразователи перемещений.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ФАЗОВОГО ТИПА

§1. Вывод выражения функции преобразования многомодуляторного оптоэлектронного АЦП перемещений фазового типа.

§2. Определение источников погрешностей устройства.

Выводы по главе 1:.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ.

§1. Метод непосредственного преобразования перемещения во временной интервал.

§2. Оптоэлектронный преобразователь перемещения во временной интервал.

§3. Способы обеспечения свойств оптоэлектронного преобразователя перемещений во временной интервал, учитывающие специфические особенности его функционирования.

Выводы по главе 2:.:.

ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ВРЕМЕННОГО ТИПА.

§1. Классификация одномодуляторных оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователей перемещений временного типа.

§2. Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного аналого-цифрового преобразователя перемещений временного типа последовательного считывания с синфазированием сигналов и постоянными частотами.

§3. Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа последовательного считывания с постоянными фазами и синхронизацией частот с помощью делителя частоты.

§4. Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа последовательного считывания с синфазированием сигналов и с синхронизацией частот с помощью умножителя частоты.

§5. Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа последовательного считывания с синфазированием сигналов и синхронизацией частот с помощью делителя частоты.

§6. Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания с синхронизацией частот и постоянными фазами.

§7. Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания с синхронизацией частот посредством умножителей частоты без устройства синфазирования сигналов

§8 Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания с синхронизацией частот с помощью делителя частоты с синфазированием сигналов.

§9 Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания со стабильными частотами с синфазированием сигналов.

§10 Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания с коррекцией частотной погрешности методом автоподстройки.

Выводы по главе 3:.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

§1. Описание макета преобразователя.

§2.Принцип работы устройства.

§3. Описание устройства позиционирования (задатчика).

§4. Основная задача эксперимента.

§5. Идентификация закона распределения результатов измерений в точке Х=50.01 мкм.

§6. Идентификация закона распределения результатов измерений в точке ц Х=125.01 м км.

§7. Идентификация закона распределения результатов измерений в точке • Х=200.01 м км.

§8. Определение рабочих характеристик устройства.

Выводы по главе 4:.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптоэлектронные аналого-цифровые преобразователи перемещений временного типа»

Развитие высокопроизводительных технологических процессов и их Ф автоматизация с применением современных цифровых систем автоматики и управления требуют создания разнообразных аналого-цифровых преобразователей физических величин с расширенными функциональными возможностями [55].

В общем комплексе аналого-цифровых преобразователей физических величин важное место занимают аналого-цифровые преобразователи перемещений (АЦПП), предназначенные для преобразования линейных или угловых перемещений объекта в цифровой эквивалент и служащие для ввода аналоговой информации об объекте в различные цифровые системы автоматического управления, в том числе содержащие управляющие цифровые ЭВМ [36,37,52].

Широкое применение АЦ1111 связано с тем, что угловые и линейные • перемещения относятся к числу главных параметров, характеризующих состояние объекта. В связи с этим АЦПП широко используются практически во ^ всех системах управления движущимися объектами (самолетами, кораблями и т.д.), в системах слежения за космическими телами, в системах дальней связи и т.д. Они являются неотъемлемой частью систем управления режимом работы энергетических установок, реактивных и ракетных двигателей. АЦПП широко применяют, кроме того, в системах автоматического управления в металлургии, в машиностроении, точном приборостроении, робототехнике и многих других областях.

Поскольку АЦПП являются измерительными устройствами, то от качества % решения ими своих функциональных задач существенно зависят технические показатели систем управления, в которые они поставляют информацию. Поэтому современные тенденции развития АЦПП определяются такими требованиями, как точность и надежность их работы, широкий диапазон измеряемых перемещений, низкая чувствительность к влиянию дестабилизирующих факторов, высокое быстродействие, компактность и малая стоимость [69,71].

Вопросам теории и расчета аналого-цифровых преобразователей перемещений посвящены труды известных ученых: Домрачева В.Г., Преснухина Л.Н., Шаньгина В.Ф., Мироненко A.B., Конюхова Н.Е., Смирнова Ю.С., Матвеевского В.Р., Кутяниной В.Н., Рубиной В.Б., Холомонова A.A. и др.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Потомский, Сергей Юрьевич

Выводы по главе 4:

1) Разработан макетный образец одномодуляторного оптоэлектронного АЦП перемещений временного типа.

2) Проведено его экспериментальное исследование в результате которого Определены рабочие характеристики макета (раб. диапазон, шаг дискретности, абсолютная и относительная погрешности, дисперсия и С.К.О.)

3) Идентифицированы законы распределения результатов измерений в выбранных контрольных точках Х=50.01 мкм, Х=125.01 мкм, Х=200.01 мкм с помощью критерия Пирсона ("хи-квадрат")

4) Установлено, что законы распределения случайных погрешностей соответствуют нормальному распределению с вероятностью 0.7.0.8.

5) Проведено дополнительное измерение в точке Х=0 мкм

6) Экспериментальные исследования макета позволили подтвердить проведенные теоретические исследования.

Заключение - выводы по диссертации.

• Проведен анализ существующих АЦП перемещений, в том числе проанализирован типовой многомодуляторный оптоэлектронный АЦП перемещений фазового типа.

• Предложен метод построения АЦП перемещений с непосредственным преобразованием измеряемой величины во временной интервал: разработана структурная АЦПП временного типа и обобщенная функциональная схема преобразователя перемещений во временной интервал (111ШИ), получено обобщенное выражение функции преобразования.

• Разработана функциональная схема одномодуляторного оптоэлектронного 1111ВИ, получено выражение ее функции преобразования, определены специфические особенности функционирования.

• Разработаны способы и математические выражения для обеспечения и анализа свойств ППВИ, учитывающие специфические особенности функционирования ППВИ.

• На основании разработанных методов построения одномодуляторного оптоэлектронного ППВИ и общих принципов построения АЦПП составлена классификация одномодуляторных оптоэлектронных АЦП перемещений временного типа.

• Разработаны и исследованы 9 схем одномодуляторных оптоэлектронных АЦП перемещений временного типа: получены выражения функций преобразования АЦП перемещений, в рамках линейной теории точности получены выражения погрешностей АЦП перемещений, построены временные диаграммы, которые графически иллюстрируют работу АЦП перемещений. Проведена числовая оценка максимальной относительной погрешности преобразования. Показано, что разработанные устройства не менее чем в 10 раз точнее, чем существующие.

• Построен реально действующий образец одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа.

• Проведено экспериментальное исследование макетного образца. Определены его рабочие характеристики. Идентифицированы законы распределения погрешностей преобразования. Результаты эксперимента подтверждают теоретические исследования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Потомский, Сергей Юрьевич, 2006 год

1. Абрамов Д.В., Заварзин М.А., Орлов Е.Ю. Унифицированные датчики влажности, давления и температуры на основе пьезокварцевых резонаторов/ Промышленные АСУ и контроллеры, 2002,№2.

2. Аксененко М.Д., Бараночкин M.JL, Смолин О.В., Микроэлектронные фотоприемные устройства. М.: Энергоатомиздат, 1984. 208 с

3. Артемьев Б.Г., Голубев С.М. Справочное пособие для работников метрологических служб. М.: Изд-во стандартов, 1990, в 2х книгах, книга 1 - 582с.

4. Асиновский Э.И. и др. Высокоточные преобразователи угловых перемещений. Под. ред . A.A. Ахметжанова. М.: Энергоатомиздат, 1986. 128 с

5. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами. М, ДМК Пресс, 2001, 320С.

6. Аш Дж. и др. Датчики измерительных систем. М.: Мир, 1990.

7. Бабиков М.А., Косинский A.B., Элементы и устройства автоматики, М.: Высшая школа 1975.464с.

8. Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Аналого-цифровые преобразователи. М., «Советское радио», 1980,280с.

9. Богданович В.Г., Паламарчук А.Л., Свечников C.B., Цифровые преобразователи перемещений на основе многоэлементных фоторезисторов // Измерительная техника 1986г. №5, с. 14-16

10. Ю.Богданович В.Г., Литовченко Т. Л., Многоэлементные кодовые фоторезисторы. // Оптико-механическая промышленность. 1986. №5, с. 17-19

11. Важдаев К.В. Акустооптические преобразователи линейных перемещений (моделирование и исследование основных характеристик). Автореферат кандидатской диссертации. Уфа, 2003,16с

12. Волков В.А., Рыжков В.В. Математические модели погрешностей измерительных устройств// Устройства и системы автоматизированной обработки информации. -Пенза. Пенз. политех, ин-т., 1975, с. 104-114.

13. Волков В.А., Рыжков В.В. Метрологические и надежностные характеристики датчиков.-М.: Энергоатомиздат, 1993,- 152с.

14. М.Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах: Пер. с англ./ Под ред. A.C. Яроненко. М.: Энергия 1981. 200с.

15. Габидулин М.А., Матвеевский В.Р., Фазометрический растровый датчик линейных перемещений. // Устройства и системы автоматики: Труды МИЭМ. М.: 1972 Вып. 26. с. 77-80

16. Гальперин М.В., Пхакадзе О.Ш. Методы подавления помех в аналоговых измерительных системах. //Практика и теория эксперимента. 1980. №4.

17. Гельман М.М, Системные аналогово-цифровые преобразователи и процессоры сигналов, М.: Мир, 2003, 559с,

18. Гитис Э.И., Пискунов Е.А., Аналого-цифровые преобразователи. М.: Энергоиздат, 1981. 360с.

19. Головенков С.Н., Основы автоматического регулирования станков с программным управлением. М., «Машиностроение», 1980, 142с.

20. Гутников B.C., Интегральная электроника в измерительных устройствах. JL: Энергоатомиздат, Ленингр. отд. 1988 г. 304с

21. Деньгуб В.М., Смирнов В.Г. Единицы величин. Словарь справочник. -М.: Изд-во стандартов, 1990,240с.

22. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы обработки данных: пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 610 с.

23. Домрачеев В.Г., Мейко Б.С., Цифровые преобразователи угла. М., Энергоатомиздат, 1984, 328с.

24. Домрачев В.Г., Смирнов Ю.С., Матвеевский В.Р., Схемотехника цифровых перобразователей пермещений: справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1987.392 с

25. Исаев Л.К. Российская система измерений // Измерительная техника. -1993,-№11.

26. Каган Б.М., Сташин В.В. Микропроцессоры в цифровых системах, М., Энергия, , 192с.

27. Е.А. Карцев, Е.В. Карцева. Датчики и приборы для измерения неэлектрических величин. Справочник Московского НТО приборостроения и метрологии. 1992г.

28. Коломиец О.М., Прошин Е. М. Автоматический выбор диапазона измерений в цифровых приборах. //Электроизмерительные приборы. Выпуск 22. 1980г.

29. Кондорф С.Ф. Фотоэлектрические измерительные устройства в машиностроении. М., «Машиностроение», 1965,194с

30. Конюхов Н.Е., Плот A.A., Шаповалов В.М., Оптоэлектронные измерительные преобразователи. Д.: Энергия, 1974. 184с.

31. Косинский A.B., Принципы построения фазовых преобразователей.// Приборы и системы управления. 1975. №3 с. 45-47

32. Кутянина В.Н., Аналого-цифровой преобразователь перемещений// Устройства и системы автоматики. Труды МИЭМ. Вып. 47. М.: Изд. МИЭМ, 1975, с. 91-99

33. Косинский A.B., Матвеевский В.Р., Одноканальный оптоэлектронный датчик перемещений//Заводская лаборатория. 1976, №10, с. 1258-1260

34. Косинский A.B. и. др., Аналого-цифровые преобразователи перемещений, М.: Машиностроение, 1991. 224с.: ил.

35. Косинский A.B., Аналоге- цифровые преобразователи. //М.: МГИЭМ, 2001.

36. Косинский A.B., Элементы датчиков технических систем управления. //М.: МГИЭМ, 2001.

37. Косинский A.B. Потомский С.Ю. Цифровой растровый интерполятор// Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Тезисы докладов . М.~: 2003, с. 308-310

38. Косинский A.B.,Потомский С.Ю., Холомонов A.A. Одномодуляторный оптоэлектронный аналого-цифровой преобразователь перемещений временного типа // Материалы 8й междунар. Научно-практической конференции "Наука сервису", МГУ сервиса, Москва 2003, с. 125-128

39. Косинский A.B.,Потомский С.Ю., Холомонов A.A. Оптоэлектронные аналого-цифровые перемещений.// НИТ, тезисы докладов XI Международной студенческой школы-семинара, М., МИЭМ, 2003, с. 182184

40. Косинский A.B., Потомский С.Ю., Холомонов A.A., Гущин П.В. Патент на изобретение №2237358 "РАСТРОВЫЙ ИНТЕРПОЛЯТОР" // Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 27 сентября 2004г. Дата публикации сведений: 27.09.2004 Бюл. №27

41. Косинский A.B., Потомский С.Ю., Холомонов A.A. Патент на изобретение №2259603 "РАСТРОВЫЙ ИНТЕРПОЛЯТОР"// Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 27 августа 2005г.Дата публикации сведений: 27.08.2005 Бюл. №24

42. Косинский A.B. Потомский С.Ю., Холомонов A.A., Гущин П.В. Оптоэлектронный АЦП перемещений временного типа// Научно-технический и производственный журнал "Датчики и системы" №1, Москва, 2004, с. 7-11

43. АС № 1644379 СССР , Растровый интерполятор., / A.B. Косинский, A.A. Холомонов., Бюл. № 15,23.04.1991.г.

44. Фазовые преобразователи перемещений с использованием многоэлементных фотоприемников// Косинский A.B., Матвеевский В.Р. и др., Измерительная техника, 1990, №9, с. 14-15

45. Кузнецов В.А., Петров В.А. Закон распределения погрешностей измерений с учетом времени эксплуатации измерительных приборов. // Измерительная техника. 1992. - №7.

46. Кузнецов В.А., Ялунина Г.В., Основы метрологии: Учеб. Пособие. М.: Издательство стандартов, 1995. -280 с.

47. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. М.: Энергоатомиздат. 1983.

48. Матвеевский В.Р., Аналого-цифровые преобразователи микроперемещений//Измерительная техника. 1978., с. 1258-1260

49. Мироненко A.B., Фотоэлектрические измерительные системы, М.: Энергия, 1967. 360с

50. Мусин И.А. Планирование эксперимента при моделировании погрешности средств измерений. М.: Изд-во стандартов, 1989,136 с.

51. Никамин В. А., Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи : Справочник. Корона-принт, 2003

52. Преснухин Л.Н., Шаньгин В.Ф., Муаровые растровые датчики положения и их пременение. М.: Машиностроение, 1969, 365с.

53. Фотоэлектрические преобразователи информации// Под. ред. JI.H. Перснухина, М.: Машиностроение, 1974г., с. 104

54. Потомский С.Ю. Цифровой растровый интерполятор параллельного считывания // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов. МИЭМ, Тезисы докладов.М.-: 2004, с. 308-310

55. Потомский С.Ю. Способы коррекции погрешностей в одномодуляторных оптоэлектронных АЦП линейных перемещений временного типа// НИТ, тезисы докладов XII Международной студенческой школы-семинара, М., МИЭМ, 2004, с. 103-104

56. Потомский С.Ю. Цифровой растровый интерполятор параллельного считывания с коррекцией погрешностей // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов. МИЭМ, Тезисы докладов. М.~:МИЭМ, 2005, с.3253

57. Потомский С.Ю. Одномодуляторный оптоэлектронный АЦП линейных перемещений временного типа с коррекцией аддитивных погрешностей// НИТ, тезисы докладов XII Международной студенческой школы-семинара, М., МИЭМ, 2005, с.314

58. Пустыльник Е.И., Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М., «Наука», 1968, 288с.

59. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978, 432 с.

60. Рейх H.H. Метрологическое обеспечение производства. — М.: Изд-во стандартов, 1987, 248с.

61. Селиванов М.Н. Качество измерений. Метрологическая справочная книга. Л.: Лениздат, 1987, - 295с.

62. Селиванов М.Н. Неопределенность результата измерений и доверительная погрешность результата измерений// Измерительная техника. 1994.-№8.

63. Соломатин В.А., Шилин В.А., Фазовые оптоэлектронные преобразователи. М.: Машиностроение, 1986,144с.

64. Страшун Ю.П. Технические средства ввода вывода аналоговых сигналов систем сбора данных и управления на современной элементной базе. //Приборы и системы управления. №10. 1994г.

65. Ткачев C.B., Михотин В.Д., Методы планирования эксперимента для испытания датчиковой аппаратуры на метрологическую надежность. Пенза.: Изд-во Пенз. гос. тех. ун-та, 1996.- 184с: ил

66. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005. 592с.

67. Холомонов A.A., Разработка и исследование высокоточных аналого-цифровых преобразователей перемещений с промежуточным преобразованием в фазовый сдвиг. Автореферат кандидатской диссертации. М., 1984, 21с.

68. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. М.: Энергия, 1976.

69. Цветков Э.И. Методические погрешности статических измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1984, - 190с.

70. Цыбин Ю.Н. Экономические базовые структуры цифровых умножителей частоты. // УСиМ. 1989г. №4.

71. B.JI. Шило Популярные цифровые микросхемы. М. Радио и связь, 1988.

72. Шахов Э.К. Широкополосный умножитель частоты. Измерительная техника №4.

73. Шлыков Г.П. Аппаратурное определение погрешностей цифровых приборов. М.: Энергоатомиздат, 1984,128с.1. ПриложеЛе 1*Таблицыс данными сравнительного анализа схемы с компенсацией мультипликативных погрешностет