Т а б л и ц а 4 Температурная погрешность измерений частоты
W Гц Максимальная абсолютная погрешность измерения частоты, Гц
нагрев охлаждение
1000 0,026 0,024
5000 0,121 0,157
10000 0,420 0,332
Как следует из рис. 2, наибольшая погрешность измерения частоты наблюдалась для звуковой карты Genius SoundMaker. Погрешности других исследуемых АЦП значительно ниже. Погрешность порядка 0,2 % рабочего диапазона звуковой карты достаточно велика, однако подобные устройства для частотно-цифрового преобразования в составе ЧЦСИ можно применять. Такой вывод следует из линейного характера зависимости погрешности от измеряемой частоты при условии реализации программных методов автоматической коррекции систематической составляющей погрешности измерений.
Выводы. Построение ЧЦСИ на базе струнного преобразователя и ПЭВМ различной конфигурации возможно и представляется перспективным. Частотно-цифровое преобразование для ЧЦСИ может осуществляться штатными средствами мультимедийной ПЭВМ. Конфигурация ПЭВМ и ПО частотно-цифрового преобразования оказывают влияние в пределах требуемой точности средств технологических измере-
ний. Температурная погрешность измерения частоты не превышает 0,5 Гц, что составляет менее 0,05 % диапазона ЧЦСИ. Частотные характеристики звуковых карт могут различаться в зависимости от их типа и стоимости. Абсолютная систематическая погрешность определения частоты может достигать десятков герц для высших частот рабочего диапазона 10—20 кГц.
Л и т е р а т у р а
1. ГОСТ 21625—76. Устройство информационно-измерительное цифровое со струнным преобразователем для измерения линейных размеров.
2. Цейтлин Я. М., Скачко Ю. В., Капырин В. В. Модифицированные струнные преобразователи для измерения геометрических величин. — М.: Изд-во стандартов, 1989.
3. Скачко Ю. В., Филимонов В. В. // Цифровая обработка сигналов и ее применение: Тр. 5-й Междунар. конф. — М., 2003. — Вып. ^1. — С. 27.
4. Филимонов В. В. // Цифровая обработка сигналов и ее применение: Тр. 7-й Междунар. конф. — М., 2005. — Вып. VII-1. — С. 483.
5. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы планирования эксперимента / Пер. с англ. — М.: Мир, 1981.
6. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. — М.: Мир, 1978.
Дата одобрения 27.06.2006 г.
681.2.082/.083
О формировании двухканальной системы измерения перемещений гетеродинным
методом
А. А. ТИТОВ
Московская государственная академия приборостроения и информатики,
e-mail: dor 73@rd.ru
Получены аналитические выражения для фаз сигналов точного и грубого каналов измерения. Оценены точность и диапазон измерений.
Ключевые слова: перемещение, гетеродинный метод, акустооптический модулятор, линза, фаза.
Analytical expression for phases of signals of exact and rough measurements channels is defined. Accuracy and range of measurements are estimated.
Key words: transference, heterodyne method, acoustic of optical modulator, lens, phase.
Гетеродинный метод, рассмотренный в [1], позволяет измерять поперечные перемещения в достаточно широком диапазоне. Однако точность измерений не высока, что обусловлено значительным периодом интерференционной картины. Использование сферического фронта волны [2] дает возможность уменьшить период интерференционной картины, но при этом сужается диапазон измерений. Совмес-
тить высокую точность с широким диапазоном измерений позволяет описываемый ниже метод. Схема измерений показана на рисунке, где изображены только центральные лучи пучков.
Как и в [2], на акустооптический модулятор (АОМ) подаем напряжения двух близко расположенных частот ^ и ^ + ^, лазерный пучок после коллиматора считаем параллельным,
8—1987
Двухканальная схема измерений перемещений: 1 — лазер; 2 — коллиматор; 3 — акустооптический модулятор; 4 — линза; 5 — фотоприемник; 6, 7 — фильтры нижней и верхней (^в) частот, соответственно; 8 — блок электроники
диаметр линзы — много больше диаметров падающих на нее пучков. Отличие от методов [1, 2] состоит в том, что в данном случае в формировании интерференционной картины в плоскости х2 участвует пучок нулевого порядка, т. е. в плоскости фотоприемника интерферируют три пучка. С помощью фильтров, настроенных на частоты ^ и выделяем сигналы для точного и грубого каналов, фаза которых измеряется в блоке электроники. Фотоприемник размещаем в плоскости изображения, положение которой определяется формулой отрезков
1 / ¿2 - 1 / ^ = 1 / /
(1)
Используя преобразование Френеля, с учетом (1) получаем следующее выражение для сигналов на выходе фотоприемника:
х 2 +Сщх 2/2
и—А Сщу 5
х2 - Сщх2/2
-2 ] 1 1 ехр!
(<Вс + <Вв ) * + X
х ехр1к
( - х1)
-ехр
\кх 1
~2Г
ехр1к
(х1 - х2) 2а(2
где и—2А2Й2Сщх2 Сщу5/к2£.2Х2 — амплитуда сигнала; А —
амплитуда волны света; Сщх2, Сщу — размеры щели на фотоприемнике по координатам X и у; 5 — чувствительность фотоприемника; к = 2п/Х — волновое число; юс = 2п/С — круговая частота световой волны; Р — линейное увеличение; Ли1 =
= РЛ1 = Р^зв / Ли2 = РЛ2 = в^зв / / + ^ Лин = РЛн = Р ^зв / —
периоды интерферирующих пучков; \/зв — скорость звука в АОМ.
Фильтры выделяют сигналы с частотами / и фаза которых измеряется в блоке электроники. Для точного канала используем сигнал с частотой и фазой фт = 2пх2/в / РУзв, а для грубого канала — с частотой и фазой фг = 2пх2/н / в Узв. Оценим, какими параметрами может обладать система и какие диапазон и точность измерений она позволяет получить. Для выбора соотношений между частотами /в и /н разделим фазы сигналов друг на друга:
Фт / Фг = 'в / 'н .
(3)
Чтобы обеспечить работу двух каналов при достижении фазой в точном канале максимального значения, т. е. 360°, фазе в грубом канале приписываем значение разрешающей способности фазометра Лфг = 1° [1]. Подставив указанные выше значения фаз в (3), получим /н = /в / 360. Определим параметры линзы. С учетом того, что углы дифракции света на выходе АОМ малы, запишем следующее выражение для диаметра линзы:
Дп = 2ДП + 0^,
(4)
где Дп — диаметр пучка на выходе АОМ; 0 = X /в + /н) / \/зв — максимальный угол между дифрагированными пучками первого и нулевого порядков.
В качестве материала АОМ выберем парателлурит с \/зв = 617 м/с и = 30 ■ 106 Гц. Диаметр пучка, освещающего АОМ, найдем из условия Дп = Лн = Узв 360 / = 7,4 мм. Приняв из конструктивных соображений с^ =100 мм, из (4) получим Дп = 10 мм. При относительном отверстии линзы 1/3 фокусное расстояние составит 30 мм. Учитывая (1) и (2), получаем следующие выражения для минимальных периодов для точного и грубого каналов измерения:
-ехр1
(<с + <в + <н) * х
(х - х1 ехр1кч 2^ ехр
х2
(х1 - х2 ) (х - х^'
хехр|к-—2^2 + ехр|Юс* ехр|кч 2^ ехр
1кх 2
"~2Т
1кх 2
"2Т
( - х 2 ) I х ехр\к1—г СхСх1
С1х2 = и в1пс (пСщх2 / РЛ-|) х
х сое (юв t + 2пх2 / РЛ1) + и в1пс (пСщх2 / РЛ2) х
Лт1п т = Ли1 Ртт = Ли1 Г / (/' - ^ = 9 мкм;
Лт1п г = Лин Рт1п = Лин Г / (/' - ^ = 3 мм.
Максимальное линейное увеличение определяется отрезком с(2, размер которого из конструктивных соображений примем равным 200 мм. Тогда выражения для максимальных периодов по точному и грубому каналам будут иметь вид
Лтах т = Ли1 Ртах = Ли1 (с,2 - Г ) / Г = 116 мкм;
Лтах г = Лин Ртах = Лин (с,2 - Г ) / Г = 42 мм.
хсое+Юн ) + 2пх2 /РЛ2]+
и в1пс (пС,
щх 2
/ РЛ2 )
х сое (юн t + 2пх2 / РЛн),
(2)
Определим диапазон измерений по точному и грубому каналам:
Лд. т = Лтах т - Лтт т = 107 мкм; Лд. г = Лтах г - ЛтШ г = 39 мм.
1
2
Оценим точность измерений для точного канала, приняв погрешности параметров случайными. Выразив х2 из формулы для фазы сигнала, найдем среднеквадратическую погрешность, использовав метод дифференцирования передаточной функции по параметрам системы:
Дх2 = д/(ЦвРф / 2 пв )2 (Аф / ф)2 + (фР^зв / 2< )2 (АЦ® / )2 +
-^Р / 2nfB)2 (A4 / fB)2 + (фVзBP / 2nfE
в/ ( AP / Р)2.
(5)
Данные для относительных погрешностей возьмем из [1]: Дф / ф = 2,7 ■ 10-3, АV,, / V,, = 8 ■ 10-5, А/в / = 10-4. Пог-
1 1 ,в ,в в в
решность Ар / р = ОД?, где О — термооптический коэффициент; А? — перепад температур. Для кварцевого стекла О = 2,13 ■ 10-4 °С-1 [3], при А? = 40 °С получим Ар/р = 8,52 ■ 10-4.
Рассчитаем по (5) максимальную погрешность при р = Ртах и минимальную при р = Рт,п, приняв в обоих случаях фазу сигнала максимальной и равной 2п. Тогда из (5) получим Ахтах = 0,35 мкм, Ахт,п = 0,026 мкм. Класс точности К =Ахтах / Лд100 = 0,32 %. Сравнив полученные результаты с данными [1, 2], отметим существенное повышение точности и расширение диапазона измерений.
Л и т е р а т у р а
1. Титов А. А. // Автометрия. — 1991. — № 2.
2. Титов А. А. // Метрология: приложение к журналу «Измерительная техника». — 1991. — № 4. — С. 25.
3. Справочник конструктора оптико-механических приборов / Под ред. В. А. Панова. — Л.: Машиностроение, 1980.
Дата одобрения 16.01.2006 г.
621.3.082.4
Точность измерения временно го положения ультразвукового эхо-сигнала при контроле протяженных сложноструктурных изделий
А. В. ЗАЛЕТКИН
ЗАО «ОРЦ», e-mail: zaletkin@orc.ru
Рассмотрены проблемы точности измерения временного положения эхо-сигнала, возникающие при низкочастотном ультразвуковом контроле протяженных изделий из сложноструктурных материалов (бетонов, пластиков, композитов). Проведен анализ погрешностей, обусловленных конструкцией измерительного устройства, методом измерения, свойствами и особенностями контролируемого изделия, в том числе, влиянием различного рода шумов и помех: импульсной помехи, шума аппаратуры, структурного шума.
Ключевые слова: ультразвуковая дефектоскопия, толщинометрия, структурный шум, электроакустический тракт.
Measurement accuracy questions of echo, which occurred in low-frequency ultrasonic testing of extended objects with complex structure (concretes, plastics, composites) are considered. Analysis of errors due to measurement device construction, measurement techniques, test object properties and peculiarities including noise and interference errors (е. g. pulse interference, instrumentation noise, structural noise) is carried out.
Key words: ultraso
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.