Цифровые волоконно-оптические датчики крутящего момента

• Автор: Богатов, Максим Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 161 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПУТЕЙ УЛУЧШЕНИЯ

МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Сравнительная характеристика основных ме

тодов измерения крутящего момента

1.2. Способы и средства снятия информации о

КМ с вращающегося вала. Их основные характеристики и ораничения

1.3. Применение кодирующего преобразователя угла для измерения крутящего момента

1.4. Применение оптического волокна для измере

ния крутящего момента
1.5. Выводы по главе. Постановка задачи ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОГО ВОЛОКОНЮОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
2.1. Цифровой волоконнооптический метод изме
рения крутящего момента и базовая модель ЦВОДКМ
2.2. Вал, как объект измерения и как элемент базо
вой модели цифрового волоконнооптического датчика крутящего момента.
2.3. Определение основных метрологических харак
теристик базовой модели цифрового волоконнооптического метода крутящего момента
2.4. Анализ погрешностей функционального узла смещениекод базовой модели цифрового волоконнооптического метода измерения крутящего момента
2.4.1. Анализ погрешности квантования
2.4.2. Анализ погрешности дискретизации
2.4.3. Анализ погрешности воспроизведения уровней квантования
2.4.4. Вероятностная методика оценки погрешности базовой модели цифрового волоконнооптического метода измерения крутящего момента
2.4.5. Вычисление параметров базовой модели
2.5. Анализ методов уменьшения погрешности базовой модели цифрового волоконнооптического метода измерения крутящего момента
2.5.1. Проблема неоднозначности считывания информации и е влияние на погрешность измерения. Связь информационных и точностных параметров базовой модели цифрового волоконнооптического метода измерения крутящего момента
2.5.2. Анализ нониусного метода уменьшения погрешности измерения
2.5.3. Анализ интерполяционного метода уменьшения погрешности. Определение координат све
тового пятна
2.6. Выводы по главе
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ
ЦИФРОВЫХ ВОЛОКОННООПТИЧЕСКИХ
ДАТЧИКОВ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
3.1. Цифровой волоконнооптический датчик крутящего момента с использованием волоконнооптического жгута, расположенного на валу, в качестве кодового преобразователя угла
3.2. Цифровой волоконнооптический датчик крутящего момента с накладным кодовым преобразователем угла кодирующей маской и использованием волоконнооптического жгута, расположенного на валу, в качестве линии передачи
3.3. Цифровой волоконнооптический датчик крутящего момента с использованием волоконнооптического жгута, расположенного на неподвижном основании
3.4. Цифровой волоконнооптический датчик крутящего момента с использованием волоконнооптического жгута, расположенного на валу и кодового преобразователя угла, выполненного в виде фоточувствительной ПЗСматрицы
3.5. Разработка рекомендаций по применению
цифровых волоконнооптических датчиков крутящего момента в зависимости от
метрологических и эксплуатационных требований различных вычислительноуправляющих комплексов
3.6. Выводы по главе
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВОГО
ВОЛОКОННООПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
4.1. Экспериментальный базовый стенд для иссле
дования метрологических характеристик ЦВОДКМ
4.2. Методика проведения экспериментальных ис
следований на экспериментальном базовом стенде
4.3. Исследование инструментальной погрешности
экспериментального базового стенда, определяемой радиусом кривизны установочных дисков
4.4. Анализ результатов экспериментальных ис
следований
4.5. Метрологические характеристики семейства
цифровых волоконнооптических датчиков крутящего момента
4.6. Выводы по главе ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПРИЛОЖЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АЦП аналогоцифровой преобразователь,
ВОД волоконнооптический датчик,
ВОЖ волоконнооптический жгут,
ДКМ датчик крутящего момента,
КМ крутящий момент,
КПД коэффициент полезного действия,
КПУ кодовый преобразователь угла,
ПЗС поверхностнозарядовая связь,
ПЭВМ персональная электронновычислительная машина,
СИКМ средства измерения крутящего момента,
СКО среднеквадратическое отклонение,
ФЧЭ фоточувствительный элемент,
ЦВОДКМ цифровой волоконнооптический датчик крутящего момента, ЭВМ электронновычислительная машина,
ЭМС электромагнитная совместимость.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Достоверность и обоснованность решаемых задач обеспечивается правильным выбором методов теоретического анализа и детальным сопоставлением его результатов с результатами экспериментальных исследований. При выборе концепции создания цифрового волоконнооптического метода использовался системный анализ. При решении поставленных задач использованы математический аппарат теории вероятностей и математической статистики и линейное программирование с использованием современных средств вычислительной техники. Научная новизна работы заключается в следующем. НИР по федеральной научнотехнической программе Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на гг. А.Н. КГТУ им. А.Н. Туполева. Апробация работы. Результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на I и II научнотехнических конференциях студентов и аспирантов, г. Казань, , гг. IX Всероссийских Туполевских чтениях студентов, г. Казань, г. XII научнотехнической конференции с участием зарубежных специалистов Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления ДАТЧИК, г. Гурзуф, г. Минобразования РФ по результатам выполнения федеральной научнотехнической программы Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на гг. Москва, г. КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань, гг. Публикации. Основное содержание работы отражено в 6 печатных работах, получено одно свидетельство на полезную модель. Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 4 страницы, в том числе рисунков, список литературы из наименований, приложения на страницах. Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость проведенных разработок и исследований, определяются цель и задачи диссертационной работы. В первой главе на основе анализа научнотехнической литературы, посвященной исследованию методов измерения крутящего момента рассмотрены традиционные пути создания датчиков крутящего момента, их основные характеристики и причины, ограничивающие их возможности. Уделено особое внимание торсиометрическим датчикам, как получившим большое распространение в практике измерения крутящего момента. Проанализировано современное состояние работ по методам расширения динамического диапазона и повышения точности измерения крутящего момента. Анализ основных характеристик ДКМ показал, что для дальнейшего расширения их функциональных возможностей и удовлетворения требований современной промышленности необходимо решение проблем, связанных с ограничениями по чувствительности и точности измерения
Дан сравнительный анализ способов снятия информации о крутящем моменте с вращающегося вала, а именно, информации об угле скручивания вала, рассмотрены их основные метрологические и эксплуатационные характеристики. Анализ показал, что несовершенство методов и средств снятия информации о КМ не позволяет в полной мере воспользоваться потенциалом, которым обладают существующие методы преобразования крутящего момента. Показано, что наиболее перспективными являются цифровые методы передачи информации, в частности, цифровые преобразователи угла, которые позволяют нивелировать значительную часть воздействия, оказываемого на метрологические параметры датчика различными помеховыми факторами. Рассмотрен ряд электромеханических устройств, в которых используются оптические кодовые преобразователи параллельного и последовательного типов. Сделан вывод о перспективности применения цифровых преобразователей для измерения крутящего момента на валу. В следующем параграфе проанализированы особенности датчиков крутящего момента, использующих элементы волоконной оптики. Показано, что применение оптоволоконной техники позволяет создать датчики КМ, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с оптическими датчиками КМ обычного типа. Рассмотрены различные варианты использования оптоволокна в существующих и гипотетических датчиках КМ. Проведенный анализ вариантов выявил преимущества цифровых волоконнооптических датчиков КМ.