67768

Исследование цифровых измерительных преобразователей углов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Использование в системах бортовых цифровых вычислительных машин приводит к необходимости создания измерительных преобразователей углов с цифровым входным сигналом. Известно много типов таких преобразователей, работа которых основана на различных принципах.

Русский

2014-09-14

1.85 MB

16 чел.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра 303

      УТВЕРЖДАЮ

                                                       Заведующий кафедрой 303

                  _______________Осипов В.Г.

          «____»__________201__ г.

Лабораторная работа № 19

«Исследование цифровых измерительных

преобразователей углов»

 По дисциплине: «Основы проектирования приборов и систем».

Специальность 200103 Авиационные приборы и измерительно-    

вычислительные комплексы

 

            Обсуждено на заседании кафедры                                                                            «___»________________201__г.

                                                         Протокол № ____

МАИ 201 __г.

Содержание

ЦЕЛЬ  РАБОТЫ…………………………………………………………….……..……...……3

ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ

Назначение преобразователей..........................................................................3

Принцип действия преобразователей……………………………....…………….3

Принцип действия преобразователей фазового типа………………………….6

Функциональная схема преобразователя   .………………………………….......7

Особенности построения двухотсчетных преобразователей   ……………….9

Функциональная схема лабораторной установки……………………………….10

Погрешности преобразования…………………………………………....………...11

Экспериментальная часть…………………………………...………………………………12

Лабораторная установка    ...………………………………………………………………..12

Методика проведения эксперимента      ...……..…………………………………………12

Расчетная часть ………………………………………………………………………………13

Содержание отчета …………………………………………………………………………..13

Литература     …………………………………………………………………………….....…14


ЦЕЛЬ  РАБОТЫ

Целью  работы  является:

  1.Изучение основ теории, принципа  действия  цифровых преобразователей углов типа  угол - напряжение - фаза - временной интервал - код.

  2.Экспериментальное исследование точностных характеристик преобразователей.

ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ

Назначение преобразователей

  В информационных и управляющих системах летательных аппаратов широко используется  информация об угловых положениях различных агрегатов.

  Использование в системах  бортовых цифровых вычислительных машин приводит к необходимости создания измерительных преобразователей углов с цифровым входным сигналом. Известно много типов таких преобразователей, работа которых основана на различных принципах. Широкое развитие получили преобразователи, построенные на основе синусно-косинусных вращающихся  трансформаторов (СКТ).

Принцип действия преобразователей

   Преобразователи угол-код  можно подразделить на три класса:

Накапливание;

Считывание;

 Циклические;

- В преобразователях накапливающего типа угловое положение определяется подсчетом числа дискретных участков (квантов), укладывающихся на другие, от нулевой (начало отсчета) до измеряемой точки. Такие преобразователи предполагают обязательное наличие запоминающего устройства,  они подвержены сбоям при отключении питания, и каждый раз после отключения подсчет необходимо начинать от нулевой точки. Поэтому накапливающие преобразователи применяются редко.

- Разработка считывающих преобразователей основана на использовании специальной маски, разбитой на дискретные участки, и перемещающейся по маске линии считывания (ЛС).

  На рис.1 приведен эскиз кодовой маски, выполненной для четырех разрядов обычного двоичного кода.  Число дискретных уровней для такой маски составляет 24 = 16. Для того, чтобы преобразовать угловую величину разряда 5,27 угл. мин. (что соответствует 12 двоичным разрядам), потребуется маска большего размера.

-  В циклических преобразователях величина угла используется в пропорциональный промежуточный параметр и кодируется.

   В таких преобразователях используются датчики угловых перемещений, типа сельсинов, редукторов, синусно-косинусных вращающихся трансформаторов. Циклические преобразователи, использующие такие датчики, обладают  высокой помехоустойчивостью, надежностью,  имеют минимальное количество связей между электронной частью преобразователя и датчиком.

Широкое распространение получили циклические преобразователи на основе синусно-косинусных вращающихся трансформаторов.

  Вращающимся трансформатором называется трансформатор, в котором вторичная обмотка, вращаясь вокруг неподвижной оси, может менять  свое положение относительно первичной обмотки (рис.2).

            

   В результате этого, напряжение на вторичной обмотке - U2 будет изменяться при изменении угла поворота . Когда оси параллельны ( = 0), U2  имеет максимальное значение - U2max . Когда оси первичной и вторичной обмоток перпендикулярны

(  = 90°), U2  = 0.

  При изменении угла поворота от 0 до 360° значение изменяется по закону косинуса .

   Изменение знака U2 при = 90°  и = 270°   соответствует изменению фазы переменного напряжения на 180°. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор имеет не одну, а две одинаковые вторичные обмотки, оси которых расположены одна относительно другой на 90° (рис.3).

   При таком расположении обмоток, когда = 0, U2' - имеет максимальное значение, а U2" = 0, и наоборот, когда = 900, U2' = 0, а U2 "  - имеет максимальное значение. При изменении угла от 0 до 3600 значение U2' изменяется по закону косинуса: , а значение U2" по закону синуса: .

                

  Известно 2 вида преобразователей угол-код на базе синусно-косинусных вращающихся трансформаторов:

с использованием непосредственной зависимости значений напряжений вторичных обмоток от угла ;

с использованием промежуточного преобразования напряжение - фаза;

  Реализация первого метода требует наличия в схеме преобразователя ряда прецизионных углов для соблюдения синфазности сравниваемых напряжений и точной фиксации напряжений при определении октанта. Точность метода ограничена отношением величины остаточного напряжения  к максимальному выходному напряжению СКТ.

  В фазовых преобразователях отсутствуют  точные аналоговые переключатели, высокоточные усилители и ряд других прецизионных элементов. Фазовые преобразователи, обладая всеми достоинствами, присущими циклическим преобразователям, достаточно просты и надежны.

   Точность преобразователя любого класса преобразователей ограничена технологическими трудностями изготовления элементов. Повышение точности может быть достигнуто изменением двухотсчетных преобразователей. В грубом отсчете (ГО) производится преобразование для всего заданного диапазона изменения углов, а в точном отсчете (ТО) преобразование производится для каждой из частей заданного диапазона.

   Для двухотсчетных преобразователей в канале ГО используются двухполюсные СКТ, а в канале ТО - многополюсные СКТ с электрической редукцией.

  Многополюсный СКТ отличается  от двухполюсного тем, что геометрический угол, на котором  проходит полный цикл изменения выходного напряжения по закону синуса, равен не 360°, а 360°/n, где n - количество пар полюсов.

Принцип действия преобразователей фазового типа.

  Основой фазового преобразователя является  преобразователь напряжение-фаза. На рис. 5 приведена  принципиальная схема преобразователя напряжение-фаза с двумя фазосдвигающими цепочками (ФСЦ).

  

Если обозначить амплитуды максимальных значений напряжений на выходе синусной и косинусной обмоток через U2махмах, то мгновенные значения напряжений при определенном значении угла поворота будут равны:

 

  При условии, что 1/с=R мгновенные значения напряжений на выходе ФСЦ будут соответственно равны:

   Из формул видно, что значения начальных фаз напряжений зависят от угла поворота  ,  а  разность   начальных   фаз  напряжений   Uab  и  Uac  равна

. Таким образом осуществляется преобразование величин выходных напряжений синусной и косинусной обмоток в сдвиг фаз между одинаковыми по величине напряжениями.

   Такая схема имеет ряд  достоинств. Паразитные фазовые сдвиги, возникающие между напряжением на первичной и напряжением на идентичных вторичных обмотках СКТ, а также одинаковые уходы параметров ФСЦ (например, при изменении окружающих температур), практически не вносят погрешности в работу фазовращателя.

   Увеличена разрешающая способность преобразователя, т.к. повороту СКТ на угол соответствует изменение разности фазовых сдвигов.

Функциональная схема преобразователя

   Функциональная схема преобразователя приведена на рис.6. В состав преобразователя, кроме СКТ (1) и ФСЦ (2) входят:

два компаратора для выделения моментов времени (когда мгновенные значения выходных напряжений ФСЦ проходят через нуль); (3)

преобразователь  временного  интервала  в  код (4);

генератор (6)  с делителем  частоты (7) и  фильтром (5) для питания СКТ и  синхронизации  преобразователя временной  интервал-код;

устройство  определения полуокружности.

Блок определения знака (8);

     

   Необходимость использования блока  определения полуокружности возникает в связи с тем, что изменению угла на 360° соответствует двукратное изменение разности фазовых сдвигов от 0 до 360° .

   Блок определения  знака использует для  своей работы информацию  о фазе напряжений на выходе синусной и косинусной обмоток и сигналов: < , > .

  Идея работы может быть понята из рассмотрения диаграммы, приведенной на рис.7 .

  

Логика работы блока определения  полуокружности поясняется таблицей:

фаза "cos"

фаза "sin"

Номер полуокружности

+

Не имеет значения

<

|

Не имеет значения

+

>

|

-

Не имеет значения

<

||

Не имеет значения

-

>

||

          

Особенности построения двухотсчетных преобразователей

Основной задачей  при построении двухотсчетных преобразователей является обеспечение согласования показателей  грубого и точного отсчетов (ГО) и (ТО).

   При условии, что абсолютная величина погрешности ГО не превышает четверти диапазона работы ТО, устройство согласования может быть построено следующим образом. "Вес" единицы младшего разряда ГО делают равным "весу" единицы старшего разряда ТО. В этом случае разряды как бы дублируют показания и называются разрядами перекрытия. Однако, показания старшего разряда ТО всегда достоверно, а показание младшего разряда ГО из-за погрешности может отличаться от истинного показания младшего разряда (1 вместо 0 или 0 вместо 1).

  

Идея согласования отсчетов заключается в следующем:

Если показания разрядов перекрытия совпадают, а, следовательно, показание младшего разряда  ГО верное, то результирующий код образуется путем "стыковки" кода ГО с кодом ТО без старшего разряда. Если же показание разрядов перекрытия отличаются, то осуществляют корректировку ГО.

   Для осуществления корректировки используют дополнительно информацию о значении еще одного разряда из ТО: соседний разряд перед старшим. Если  обозначить номер старшего разряда ТО через ''n'', то соседний разряд будет иметь номер ''n-1''. По значению разряда ''n-1'' можно определить знак погрешности ГО, а, δследовательно, и знак корректирующего сигнала.

  Логика работы устройства согласования определяется таблицей:

Значение разрядов ГО

Знак погрешности

Сигнал коррекции

ГО

ТО "n"

ТО "n-1"

ТО

ГО

1

0

0

1

0

1

1

0

1

0

1

0

+

-

+

-

- 1

+1

- 1

+1

   После коррекции ГО путем добавления или вычитания  единицы младшего разряда ГО, результирующий код образуется путем стыковки кода ГО с кодом ТО без старшего разряда.


Функциональная схема лабораторной установки

   На рис.8  приведена  функциональная схема двухотсчетного преобразователя угол-код с использованием синусно-косинусных трансформаторов типа СКТ-232 в грубом отсчете (ГО) и СКТ-6465 в точном отсчете (ТО) (1).

   Преобразователь состоит из 2-х идентичных по схеме каналов. Общими для преобразователя являются:

генератор стабильной частоты (9) ,

делитель частоты (6) ,

фазочувствительное пороговое устройство (7),

фильтр (2),

блок питания (3).

  Выходные напряжения ФСЦ (4) поступают на компараторы (5), которые формируют прямоугольные импульсы начала "СТАРТ" и конца "СТОП" временного интервала в момент перехода напряжения ФСЦ через нулевое значение.

    Импульсы начала и конца отсчета управляют преобразователем (8), в котором подсчитываются импульсы стабильной частоты, поступающие от делителя (6), за временной интервал между передними  фронтами импульсов "СТАРТ" и "СТОП".

   Датчики питаются стабилизированным по частоте синусоидальным напряжением,  снимаемым с фильтра (2). Устройство (7) служит для выделения  признака фазы. Питание преобразователя осуществляется от блока (3). В установке отсутствует устройство согласования отсчетов.

Погрешности преобразования

    Погрешность преобразования угол - напряжение - фаза  - временной интервал - код состоит из погрешностей, свойственных каждому из этапов преобразования.

  1.  Ошибки преобразования угла в фазу

Безошибочная работа фазовращателя характеризуется линейной зависимостью   между углом поворота ротора СКТ и фазовым сдвигом между входными напряжениями фазовращателя.

   Линейная зависимость может быть нарушена в следствие:

электромагнитной асимметрии СКТ (δ1);

неравенства коэффициентов трансформации обмоток СКТ (δ2);

ошибки выработки синусоидальной зависимости выходных напряжений СКТ (δ3);

разбаланса ФСЦ (δ4);

наличие высших гармоник в напряжении питания СКТ (δ5);

        2. Ошибки преобразования фазы во временной интервал включают:

неравенство порогов срабатывания нуль-органов (δ6);

неравенство входных сопротивлений нуль-органов (δ7);

неравенство времени задержки отклика нуль-органов на входной сигнал (δ8);

       3. Ошибки преобразования временной интервал-код 9);  

   Ошибки δ1, δ2, δ3, рассчитываются на основании данных, приведенных в технических условиях на СКТ и составляют для современных индукционных двухполюсных датчиков от 1.5 до 10 угл. мин., а для многополюсных - десятки угловых секунд.

   Уменьшение ошибок δ4 добиваются точным подбором параметров резисторов конденсаторов ФСЦ.

    Для уменьшения δ5 применяют специальные источники питания датчиков.

    Уменьшение ошибок δ6, δ7, δ8 достигается  применением специальных компараторов напряжения.

    Для уменьшения δ9 применяется высокочастотная синхронизация. При двухотсчетной схеме преобразователя, точность определяется каналом  ТО, а на суммарную погрешность канала ГО накладываются ограничения по допустимой ошибке, определяемой схемой согласования отсчетов.


Экспериментальная часть

Задание:

  1.  Определить коэффициент  редукции канала ТО.
  2.  Снять характеристику зависимости выходного кода от угла поворота датчика в диапазоне по указанию преподавателя через каждые 10°.
  3.  Снять характеристику зависимости выходного кода от угла поворота датчика в том  же диапазоне при повышенном содержании  высших гармонических составляющих в напряжении источника питания датчиков.
  4.  Снять характеристику зависимости выходного кода от угла поворота датчика в том  же диапазоне при разбалансе ФСЦ.
  5.  Пересчитать значения кода в угловые градусы и минуты.
  6.  Определить относительную погрешность, возникающую из-за повышенного содержания гармонических составляющих и из-за разбаланса ФСЦ.
  7.  Дать заключение по работе.

Лабораторная установка

   На лицевой панели преобразователя угол-код размещены:

лимбы датчиков углового положения ГО и ТО, роторы которых закреплены на одной оси, каждому полному обороту шкалы датчика ТО соответствует 1° по шкале ГО;

индикаторы счетчиков ТО и ГО - по шесть двоичных разрядов, расположенных слева направо от старшего разряда к младшему, ГО1 и ТО32 - разряд перекрытия;

индикаторы состояния фазы на синусном и косинусном выходах датчика;

тумблер питания датчиков на 2 положения. Положение "1" соответствует напряжению питания с коэффициентом нелинейных искажений КНИ 0.2%, а положение "2" - КНИ 1%;

два тумблера для подключения дополнительных конденсаторов к ФСП со стороны синусного (sin) и косинусного (cos) выходов датчика ГО;

тумблер включения стенда в сеть.

Методика проведения эксперимента

  1.  Тумблер "СЕТЬ 220В" поставить в положение "ВКЛ".
  2.  Вращением ручки датчика угла установить его в нулевое положение (стрелка датчика ГО и "0" лимба ТО должны совпадать с нулевой отметкой на неподвижном лимбе ГО)
  3.  Тумблеры "SIN - ВКЛ", "COS - ВКЛ " и "1 - 2" установить в положение "SIN","COS","1" соответственно.
  4.  Медленно вращать ручку датчика по направлению часовой стрелки до заполнения и полного погасания индикаторов счетчика ТО. Снять показания счетчика ГО и определить коэффициент редукции ТО:

   где Nто и Nго - показания счетчиков ТО  и ГО в единицах дискретности

   Установить датчик в исходное состояние.

5. Изменяя положение датчика в диапазоне  по  показанию  преподавателя  через каждые 10°, записать показания индикаторов кода ТО и ГО.

6. Установить тумблер "1 - 2" в положение "2" и изменяя  положение датчика  в  том  же   диапазоне записать показания индикаторов кода ТО и ГО.

7. Повторить два  раза  п.5  при разбалансе ФСЦ,  для   чего   тумблер  "1 - 2"  вернуть  в положение  "1",  а  один  из тумблеров  "SIN"  или  "COS"  поочередно  установить  в положение "ВКЛ".

8. Результаты экспериментов по пп. 5, 6, 7 записать в таблицы по форме:

Угол

Код ГО

Код ТО

Знак сигнала коррекции

Результирующий код после коррекции

Результат преобраз. в град.

Относит. погреш-ность δ,%

в дво-ичной системе

в деся-тичной системе

Расчетная часть

  1.  В соответствии с разработанной выше методикой определить знак погрешности ГО и осуществить коррекцию ГО.
  2.  Перевести результирующий код после коррекции из двоичной системы счисления в десятичную.
  3.  Перевести результат преобразования в градусы и минуты.
  4.  Определить относительную погрешность, полученную при измерениях по пп.6 и 7, приняв данные измерения по п.5 (в диапазоне от 0 до 180) за безошибочную работу преобразователя.

Содержание отчета

  1.  Титульный лист (название института, работы, фамилии бригады).
  2.  Содержание работы.
  3.  Цель работы
  4.  Краткую теоретическую часть (типы приборов, методы измерения, конструкции, характеристики, погрешности).
  5.  Заполненные таблицы в ходе эксперимента (графики).
  6.  Выводы о проделанной работе и пригодности поверяемых приборов.

Литература

  1.  А. А. Ахметжанов. Высокоточные системы передачи угла автоматических устройств. "Энергия", 1975.
  2.  А. У. Зверев, В. П. Максимов, В. А. Мясников. Преобразователи угловых перемещений в цифровой код. "Энергия", 1974.
  3.  Ю. Д. Сверкунов, Ю. В. Третьяков. О сопряжении грубого и точного каналов при преобразовании "угол-фаза-код". Вопросы радиоэлектроники. Сер. ХП общетехническая вып. 22. 1962.
  4.  Под ред. А. А. Ахметжанова. Электромеханические преобразователи угла с электрической редукцией. "Энергия", 1978.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21464. Анализ современного состояния техники ранней диагностики ВОЛП 706 KB
  Очевидно что длины волн используемые для передачи данных и для рефлектометрического контроля волокна в этом случае должны быть разными. В этой точке устанавливается оптический коммутатор OTU который по очереди включает волокна всех направлений в оптический путь сигналов рефлектометра RTU. Другой подход предполагает одновременное распространение сигнала рефлектометра по всем ответвляющимся волокнам. Согласно данным фирмы Fujikur по степени опасности для волокна можно выделить три диапазона значений его относительного удлинения.
21465. Двухчастотные лазерные интерферометры 1.42 MB
  Все оснащение лазерной измерительной головки заключающееся в системе программного и инструментального обеспечения измерения предназначено для линейных и угловые измерений измерения плоскостности измерения прямолинейности измерения взаимоперпендикулярности и измерения скорости перемещения. Дискрет измерения равен  при статистической обработке сигнала fd его можно уменьшить в 10 раз. Таким образом дискретность измерения интерферометра не превышает 001 мкм. Чтобы исключить ошибку связанную с температурным расширением основания на...
21466. Частота и частотные характеристики лазерного излучения 168.5 KB
  Для одной моды в том случае когда реализуется одномодовый режим можно ввести такой параметр как ширина линии излучения . Время когерентности и длина когерентности вводятся также и для многочастотного излучения. Особенность свойств когерентности излучения фемтосекундного лазера.
21467. Стандарты частоты газовые 1.6 MB
  Лазеры точнее лазерное излучение позволили создать такие источники оптического излучения с такими узкими линиями излучения которые в принципе не могли существовать в естественных условиях. С развитием лазеров появилась возможность не только управлять но и стабилизировать частоту оптического излучения. В результате этого решения появилась возможность на базе лазеров у которых частота излучения и длина волны излучения в вакууме связаны простым соотношением создавать стандарты частоты и длины волны.
21468. Одночастотный лазерный интерферометр Майкельсона. Принципы измерения расстояний и линейных перемещений 395.5 KB
  1 Упрощенная схема интерферометра Майкельсона При рассмотрении двухлучевых интерферометров следует обратить внимание на временные и пространственные фазы излучения. Поскольку основным уравнением интерферометрии является уравнение для интенсивности излучения сформированного двумя полями 1 2...
21469. Лазерный доплеровский анемометр 610.5 KB
  Движущиеся вместе с газовым потоком частицы рассматриваются как приемники световых волн от неподвижного источника и одновременно как передатчикиретрансляторы оптического излучения к неподвижному наблюдателю. Частота рассеянного излучения в точке наблюдения равна: 1 где ν – частота излучения источника; с – скорость света; u – проекция скорости частицы в направлении на точку наблюдения. Итак Доплеровская частота сигнала на выходе фотоприемника зависит от длины волны лазерного излучения скорости частиц и геометрии оптической системы....
21470. Пример одночастотного лазерного интерферометра Майкельсона. Абсолютный баллистический гравиметр 10.6 MB
  3 Принцип определения ускорения свободного падения На практике калибруются только частота длина волны лазерного излучения и частота встроенного опорного стандарта частоты для измерения интервалов времени.1 нм что равно 1 17 от длины волны 633 нм лазерного излучения.5 Направления применения гравиметрической информации g Corrections: instrumentl nd geophysicl tides ocen loding polr motion Motion eqution of freeflling body in the grvity field: TTL signl longperiod seismometer or ctive vibroisoltion system t 633 nm or 532 nm FG5216...
21471. Волоконный гироскоп 412 KB
  Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка Рис. При радиусе оптического пути время достижения расщепителя лучей светом движущимся по часовой стрелке выражается как 1 в противоположном направлении 2 где с скорость света. Она не зависит от формы оптического пути положения центра вращения и коэффициента преломления. Структурные схемы гироскопов на эффекте Саньяка r и l частота генерации света с правым и левым вращением;  время необходимое для однократного прохождения светом...
21472. Оптическая мышка 277 KB
  До появления этих мышей да и еще долго после этого большинство массовых компьютерных грызунов были оптомеханическими перемещения манипулятора отслеживались оптической системой связанной с механической частью двумя роликами отвечавшими за отслеживание перемещения мыши вдоль осей Х и Y; эти ролики в свою очередь вращались от шарика перекатывающегося при перемещении мыши пользователем. На основании анализа череды последовательных снимков представляющих собой квадратную матрицу из пикселей разной яркости интегрированный DSP...