Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе развития измерительной техники точность воспроизведения эталона частоты является наиболее высокой по сравнению с эталонами других физических величин, поэтому метрологические характеристики измерительных преобразователей с частотно - модулированным выходным сигналом выгодно отличаются от характеристик датчиков с амплитудно-модулированным сигналом.
По виду физического явления, положенного в основу работы, все датчики с частотным выходом можно разделить на четыре группы:
Резонаторные датчики
Датчики с нерезонирующими частотно-зависимыми системами
Интегрирующие датчики
Статистические датчики
Резонатор ные датчики обладают рядом преимуществ:
высокая добротность резонаторов даёт возможность существенно повысить точностные характеристики датчиков;
имеется возможность включения в схему автогенератора для получения непрерывного выходного сигнала;
отношение сигнал-шум намного выше, чем у датчиков других рассмотренных групп.
Эффективность рассмотренных резонаторов с точки зрения их использования для построения высокоточных датчиков показывает, что для практического применения наиболее предпочтительными являются механические резонаторы. При достаточно высокой добротности и стабильности частоты они отличается технологичностью, относительно низкой стоимостью и универсальностью применения.
Однако, при всех вышеперечисленных достоинствах механические резонаторные преобразователи обладают рядом ограничений. Прежде всего, это высокая чувствительность к воздействию внешних факторов, таких, как температура, давление, вибрация и т. д., что приводит к появлению дополнительных погрешностей в реальных условиях эксплуатации. Устранение этих погрешностей путём уменьшения технологических допусков, усложнения конструкции и тщательного подбора материалов приводят к существенному росту стоимости изготовления преобразователей.
Функция преобразования большинства механических резонаторных преобразователей нелинейна, что затрудняет обработку результатов измерений и приводит к необходимости работы на малом участке характеристики. Линеаризация же функции преобразования путем введения просчитанной асимметрии конструктивных элементов преобразователя, а также путем введения в его структурную схему предварительных механических линеаризаторов или различных корректирующих устройств неизбежно приводит к существенному усложнению конструкции механической части преобразователя или его электронной схемы.
Характеристики преобразователя индивидуальны и изменяются с течением времени, а их коррекция очень трудоёмка, требует наличия точного механизма настройки и квалифицированного персонала.
С появлением средств вычислительной техники появляется возможность устранения этих недостатков с помощью методов обработки информации и автоматизации коррекции погрешностей, поэтому исследование метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей и пересмотр ранее сформулированных требований является актуальной задачей.
Целью работы является разработка методики улучшения метрологических характеристик измерительных устройств с механическими резо-наторными преобразователями путем применения современных средств вычислительной техники.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Исследовать температурную погрешность механических резонаторных измерительных преобразователей в стационарном и нестационарном режимах;
Исследовать погрешность механических резонаторных преобразователей, обусловленную воздействием вибрации;
Исследовать возможность применения современных персональных ЭВМ для создания информационно-измерительных систем, работающих с механическими резонаторными преобразователями;
Разработать методику автоматической коррекции основных и дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей с использованием результатов исследований метрологических характеристик.
Научная новизна работы
Разработаны математические модели для оценки влияния внешних условий (температура, вибрация) на погрешности механических резонаторных преобразователей;
Разработана методика автоматической коррекции основных и дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей, базирующаяся на использовании методов образцовых сигналов и вспомогательных измерений;
Результаты теоретических и экспериментальных исследований метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей, которые позволили выявить оптимальные способы уменьшения погрешностей;
Разработаны обобщенные алгоритмы коррекции основных и дополнительных погрешностей измерительных устройств на основе механических резонаторов.
Практическая ценность работы
Разработаны алгоритмы коррекции дополнительных погрешностей, позволяющие применять механические резонаторные преобразователи при изменяющихся условиях эксплуатации;
Разработан и реализован алгоритм обработки измерительной информации, позволяющий компенсировать нелинейность функции преобразования механических резонаторных преобразователей без изменения конструкции;
Экспериментально доказана возможность применения мультимедийной ЭВМ для создания информационно-измерительных систем, реализующих ввод и анализ сигналов механических резонаторных преобразователей;
Разработано программное обеспечение для проведения измерений частоты сигнала и автоматической коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей, применение которого позволило уменьшить основную и дополнительную температурную погрешность рассмотренного резонаторного преобразователя угла наклона более чем на порядок.
На защиту выносятся:
Комплекс математических моделей для оценки влияния внешних условий на погрешности механических резонаторных преобразователей;
Разработанная методика применения современных вычислительных средств для совершенствования метрологических характеристик измерительных устройств на основе механических резонаторов;
Результаты проведенных теоретического и экспериментального исследования метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
58-й, 61-й научной сессии Российского Научно-технического Общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова (2003, 2006 г.)
Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (2004, 2005, 2006 г.)
5-й, 6-й, 7-й, 8-й, 9-й и 10-й Международных Конференциях «Цифровая Обработка сигналов и ее применение» (2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 г.)
Диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Метрология и Сертификация» МИЭМ (30.05.2008). Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры и используются при чтении лекций, а также в
лабораторном практикуме по дисциплинам «Информационно-измерительные системы», «Автоматизация измерений, контроля и испытаний», «Методы и средства измерений, испытаний и контроля». Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 72-х наименований. Общий объём работы 143 страницы, 58 рисунков, 12 таблиц.
