Цель работы: Освоение методик определения основных метрологических и эксплуатационных характеристик первичных измерительных преобразователей информации на примере бесконтактного волоконно-оптического датчика перемещений.
Используемое оборудование: волоконно-оптический датчик перемещения, специальный штатив с возможностью контроля перемещений, цифровой вольтметр, микрометрический винт, четыре различных типа поверхности.
Алгоритм получения результатов.
Волоконно-оптический датчик подключают к цифровому вольтметру.
Часть 1. Нахождение функции преобразования.
1. Изменяя расстояние между датчиком и поверхностью, находим положение датчика, при котором напряжение на выходе датчика будет максимальным.
2. Находим точку перегиба функции преобразования. Для этого измеряем напряжение в нескольких точках при x
Расстояние до xmax, мкм Показания вольтметра, В Разность соседних показаний, В
0 3,30
-300 3,13 0,20
-600 2,60 0,50
-900 1,78 0,82
-1200 0,92 0,86 - максимум
-1500 0,29 0,63
-1800 0,18 0,11
Дальнейшие измерения расстояния будут вестись относительно точки х0, соответствующей напряжению (1,78+0,92)/2 = 1,36 В
3. Находим напряжение в 10 точках, в две стороны от х0 с шагом 100 мкм. Измерение в каждой точке производится 6 раз.
Результаты измерений и средние значения
x, мкм U, B Uср, В
-500 0,24 0,24 0,24 0,24 0,24 0,24 0,24
-400 0,38 0,37 0,37 0,36 0,37 0,37 0,37
-300 0,56 0,56 0,56 0,55 0,56 0,56 0,558333
-200 0,8 0,79 0,79 0,78 0,79 0,79 0,79
-100 1,06 1,04 1,05 1,04 1,05 1,05 1,048333
0 1,36 1,36 1,34 1,33 1,34 1,34 1,345
100 1,64 1,72 1,68 1,62 1,62 1,63 1,651667
200 2 2,01 2 1,9 1,9 1,95 1,96
300 2,25 2,3 2,26 2,2 2,19 2,2 2,233333
400 2,5 2,55 2,52 2,47 2,45 2,46 2,491667
500 2,77 2,74 2,73 2,66 2,66 2,69 2,708333
4. Для каждого расстояния находим среднеквадратическое отклонение, относительную погрешность и доверительный интервал.
Расчет погрешностей
x, мкм Среднеквадр. отклонение Относительная погрешность Доверительный интервал
-500 0 0,00% 0,000000
-400 0,006324555 1,71% 0,016444
-300 0,004082483 0,73% 0,010614
-200 0,006324555 0,80% 0,016444
-100 0,007527727 0,72% 0,019572
0 0,012247449 0,91% 0,031843
100 0,040207794 2,43% 0,104540
200 0,050990195 2,60% 0,132575
300 0,043665394 1,96% 0,113530
400 0,038686776 1,55% 0,100586
500 0,045350487 1,67% 0,117911

5. По средним значениям напряжения и с учетом доверительного интервала строим график функции преобразования датчика:
График можно аппроксимировать кубическим полиномом
,где коэффициенты определяются по формулам:








где:
j= 0,1... - номер экспериментальной точки функции преобразования;
n - число полученных значений функции преобразования (n=11);
Aj - отклик ВОД при j-ом значении входного параметра;
?хi - приращение входного параметра (?хi=0,1 мм).

Часть 2. Исследование влияния условий (типа поверхности) на функцию преобразования.
Измерения производятся для четырех типов поверхности: отражающая поверхность, белая бумага, черная бумага и текстолит. Измеряем напряжение на выходе датчика в точках от x=0 до значения, при котором напряжение будет максимальным, с шагом 200 мкм.
x, мкм Тип поверхности
отражающая белая черная текстолит
0 0,37 0,53 0,048 0,35
200 0,43 0,65 0,127 0,35
400 0,47 0,82 0,145 0,355
600 0,575 1,02 0,173 0,36
800 0,7 1,24 0,187 0,365
1000 0,89 1,44 0,2 0,372
1200 1,245 1,66 0,203 0,38
1400 1,62 1,8 0,21 0,38
1600 1,9 1,87 0,21 0,38
1800 2,15 1,93 0,205 0,385
2000 2,4 1,95 0,2 0,38
2200 2,5 1,94 0,19 0,375
2400 2,48 1,93 0,18 0,37
2600 2,47 1,92



Часть 3. Выводы.
Работа волоконно-оптического датчика зависит от состояния поверхности рабочей пластины, ее коэффициента отражения и степени рассеивания света при отражении от поверхности. Функция преобразования датчика индивидуальна для каждого сочетания датчик — поверхность. Размер (длина) рабочего участка характеристики определяется рассеиванием света от поверхности, а угол наклона — коэффициентом отражения света. Датчик характеризуется полным отсутствием влияния на объект.
Погрешность (абсолютная) микрометра при измерениях составляла 5 мкм. А погрешность вольтметра — во втором знаке после запятой, то есть при измерениях с металлической пластиной она составила до 0,05 Вольта. Вольтметр обладает тремя с половиной разрядами, но случайная погрешность из-за непрерывного изменения показаний в данном случае оказалась выше.