КАЛІБРУВАННЯ СИСТЕМИ ОПТИЧНОГО ДАТЧИКА ПЕРЕМІЩЕННЯ
DOI:
https://doi.org/10.25140/2411-5363-2021-2(24)-179-187Ключові слова:
невизначеність вимірювання; переміщення; похибка; калібр; надійністьАнотація
У технічній і науковій практиці датчики переміщення часто використовуються для вимірювання зміщення рухомих частин обладнання. Їх можна використовувати для прямих вимірювань зміщення, але частіше вони є частиною системи вимірювання. Невизначеність вимірювання визначає ступінь достовірності даних, що отримані в процесі вимірювання з використанням датчика. Внаслідок великої похибки результат вимірювання знецінюється. Тому необхідно виконати аналіз невизначеності вимірювання до фактичного впровадження датчика в цільовий додаток. Отже, розв'язувана задача призначена для області вимірювання зміщення в мехатронних виробах, де інформація про зміщення з високою невизначеністю вимірювання недопустима.
Для вимірювання відстані був обраний оптичний датчик, який використовує принцип тріангуляції та має нелінійну статичну характеристику. Оскільки це оптичний датчик, його характеристика залежить від кольору і якості поверхні, яку контролює датчик.
Метою статті є експериментальна перевірка оптичного датчика зміщення і одночасно вирішення проблеми похибки вимірювання і невизначеності вимірювання. Завдання роботи полягало в тому, щоб визначити статичну характеристику перетворення сигналу, і з неї створити калибрувальну характеристику. Визначено гістограми з вибірки вимірювань для визначення закону розподілу ймовірності виміряних значень. На основі калібрувальної характеристики створено математичну модель для визначення зміщення по виміряним значенням вихідної електричної напруги датчика. Визначено результуючу невизначеність вимірювання зміщення. У статті не досліджувався вплив температури навколишнього середовища на результат вимірювання, а також не досліджувався вплив кольору контрольованої поверхні виявленого об'єкту, зміщення якого вимірюється. Ефект зміни нахилу поверхні виявленого об'єкту, що відбиває промінь датчика, також не досліджувався. Оптичний датчик зміщення був обраний для точного вимірювання довжини.
Експериментальний аналіз тестованого датчика показав, що побудований вимірювальний ланцюг з цим датчиком має сумарну похибку вимірювань не більше 0,16 мм. Тести повторюваності вимірювань і подальших графічних гістограм показали, що ймовірність розподілу виміряних значень підпорядковується єдиному закону розподілу значень. Математична модель калібрувальної характеристики також була отримана з експериментальних даних, які можуть бути використані для визначення величини зміщення зі значень виміряної вихідної електричної напруги датчика. Отримана математична модель має практичне застосування, оскільки може бути реалізована безпосередньо в комп'ютерній системі обробки даних з відомою невизначеністю вимірювання. Результуючу похибку вимірювання можна додатково поліпшити, вибравши інший вимірювач для визначення вихідної напруги на виході датчика.
Посилання
Doebelin, E. (2003). Measurement systems Application & Design, 5th ed.; Mc Graw-Hill College: New York, NY, USA, p. 768.
Leach, R. (2014). Displacement measurement. In Fundamental Principles of Engineering Nanometrology; Elsevier Science: Amsterdam, The Netherlands, pp. 95–132.
Cosijns, S.J.A.G.; Jansen, M.J.; Haitjema, H. (2018). Advanced Optical Incremental Sensors: Encoders and Interferometers. In Smart Sensors and MEMS: Intelligent Sensing Devices and Microsystems for Industrial Applications, 2nd ed.; Elsevier Inc.: Philadelphia, PA, USA, pp. 245–290.
Hermann, G. (2012). Design of a calibration system for 1D measuring probes. In Proceedings of the IEEE 16th International Conference on Intelligent Engineering Systems, INES 2012, Lisbon, Portugal, 13–15 June 2012; pp. 157–160.
Jing, X.; Gao, H.T.; Ye, X.Y.; Gu, F.Q.; Li, D.S., (2010). Application of laser sensors for on-line calibration of displacement transducers. Int. Soc. Opt. Eng. 2010.
Zhang, S.; Kiyono, S. (2001). Absolute calibration method for displacement sensors. Meas. J. Int. Meas. Confed. 2001, 29, 11–20.
Lagozzino, S., Simic, M., Dudkiewicz, D. (2019). Development of a novel system for linear displacement sensor calibration. Energy Procedia. Volume 160, February 2019, Pages 519-525. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.02.201.
Zhang, S., Kiyono, S.: An absolute calibration method for displacement sensors. Measurement. Volume 29, Issue 1, January 2001, Pages 11-20. https://doi.org/10.1016/S0263-2241(00)00023-3.
Haitjema, H. (2020). The Calibration of Displacement Sensors. Sensors, MDPI, Volume 20, 584. https://doi.org/10.3390/s20030584.
Nevshupa, R., Conte, M. and van Rijn, C. (2013). Measurement uncertainty of a fibre-optic displacement sensor. Measurement Science and Technology. Vol. 24, Number 3, 2013. IOP Publishing Ltd.
Taylor, J. R., (1999). An Introduction to Error Analysis: The Study of Uncertainties in Physical Measurements. 1999. University Science Books.
EA-4/02 M:2013 Evaluation of the Uncertainty of Measurement In Calibration. Publication Reference. European Accreditation Laboratory Committee. September 2013 rev 01. cited August, 8th, 2019. Available online: https://european-accreditation.org/wp-content/uploads/2018/10/ea-4-02-m-rev01-september-2013.pdf.
JCGM 200:2012, International vocabulary of metrology –Basic and general concepts and associated terms (VIM), 3rdEdition (BIPM, 2012).
JCGM 100 – Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement (ISO/IEC Guide 98-3). First edition September 2008. Available online: http://www.iso.org/sites/JCGM/GUM-JCGM100.htm; http://www.bipm.org/en/publications/guides/gum_print.html.
MSA-L/11 Guidelines on the expressions of uncertainty in quantitative testing (In Slovak) (EA - 4/16: 2003). Guidelines on the expression of uncertainty in quantitative testing. Slovak national accreditation service, SNAS BRATISLAVA, august 2009.
MSA–L/12 Expression of the uncertainty of measurement in calibration (In Slovak) (EA-4/02) - Expression of the uncertainty of measurement in calibration, Slovak national accreditation service, SNAS BRATISLAVA, november 2010.
Wimmer, G., Palenčár, R., Witkovský, V. (2001). Stochastic models of measurement. (In Slovak) Graphic Studio Ing. Peter Juriga, Ľ. Fullu 13, 841 05 Bratislava. 1st. ed., 2001. ISBN 80-968449-2-X.
Chudý, V., Palenčár, R., Kureková, E., Halaj, M. (1999). Measurement of technical quantities (in Slovak). Edition of STU, 1st. ed., 1999. ISBN 80-227-1275-2.
Scott, David W. (1979). "On optimal and data-based histograms". Biometrika, Vol. 66, No. 3, pp. 605–610. DOI:10.1093/biomet/66.3.605.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
