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大量程位移传感器用于三等量块检定时不确定度分析

发布时间:2014-09-02 20:17:39 作者: 信息来源:

    近年来,随着光电技术的发展。国内外出现了一系列基于光栅技术的高准确度大行程的位移传感器。光栅类传感器与其他传感器如电感,电容,容栅等比较具有测量重复性好、准确度高、测量范围大的特点。特别在较大行程时仍保持非常好的线性。特别是由于电子细分技术和计算机技术的发展,大大提高了光栅类传感器的准确度,较高准确度的光栅类传感器其示值误差在25mm测量范围内可达到MPE=f 0.03+0.5/)‰(式中:£为测量长度,单位:m1。国外生产这类光栅传感器的厂家主要是德国H DENHAIN公司,国内也有厂家研制成功这类传感器。
    这类光栅式位移传感器主要用于量块测量,可实现在一定长度范围直接测量。在国外这种方法已进入实用阶段。而且有多家公司研制了基于光栅式位移传感器的量块检定仪。如德国JENA公司,Mahr公司,瑞士TESA公司,美国DZ TOOLS公司等等,国内也有厂家有类似产品。同比较测量相比直接测量的优越之处在于:
    (1)配备的标准量块大大减少,减少维护费用;
    (2)对于各种非标准规格量块,无须研合出相应尺寸。可直接测量,大大提高了测量准确度;
    (3)减少更换标准量块的次数,提高工作效率等等。
    下面根据规程规走的环境条件和国外该类仪器的典型技术指标对直接测量量块时的测量不确定度进行分析,在这里,我们规定直接测量的范围不大于5mm。 量块检定仪技术指标简单介绍如下:该量块检定仪直接测量范围为f 0~25) mm,在直接测量范围内,示值误差不大于±(0.03+f\1000) Pm(f为测量长度。单位:mm)。测量时我们用二等量块做标准。
1数学模型
1.1  量块中心长度表示式
    利用二等标准量块和量块检定仪检定量块时。被检量块中心长度可表1.2灵敏系数和合成标准不确定度表示式  再考虑到被测量块中心测量瞄准误差及被测量块长度变动量的影响,对(1)式中各影响量求偏导数,可得到对应于各影响量的灵敏系数:2与各影响量相关的标准不确定度、自由度及不确定度分量分析 由于不确定度与标准量块和被测量长度有关,因此在分析时,我们以标准二等量块长度为lOmm,被检量块长度为15mm为例。此时量块检定仪的直接读数m约为Smrn。
2.1标准量块中心长度
    当量块长度为lOmm时,二等量块的测量不确定度U99= 60mu,覆盖因子按k=2.8计算,则标准不确定度:2.2量块检定仪读数m   量块检定仪读数m对测量不确定度的影响可分为三部分,一是示值误差的影响,定义为“( mi),二是测量重复性的影响,定义M(m:),三是被检量块温度偏离20℃,但不进行温度修正引起的不确定度因素,定义为M r rTl,31,并且认为它们相互独立。
2.2.1u(mi)及其自由度的分析
    量块检定仪的示值误差不大于±( 0.03+2/1000) Pm(f为测量长度,单位:mm),当测量长度为Srrnm时。其示值误差绝对值最大为35mn,按均匀分布,
2.2.2自由度的分析
    量块检定仅测量重复性可通过重复测量获得。其不确定度分量按A类评定,任取一量块放置在干涉上。进行20次独立的重复测量,重复测量值如下    计算其单次测量的标准不确定度为0= 7nm,实际测量时量块检定仪读数由标准量块和被测量块高度差组成,测量时取两次读数平均值为测量结果 检定三等量块时,假定量块温度要求为f 20±)℃,并且,在该温度范围内对量块温度不做修正,温度分布为均匀分布,

3结束语   

通过上述分析计算,可以认为利用大量程位移传感器测量量块时,当直接测量范围不大于Smm时,测量不确定度在规程规定的条件下能够满足三等量块测量要求。  对于采样速率高到一定程度的系统。很难用软件和常规的接口对采样、转换进行控制,在这种情况下,通常用硬件来实现转换过程的控制和采样数据的同步。所以先将数据存入缓冲存储器中,然后再利用数字信号处理器对其进行处理。    根据系统设计的需要。在此选用CYPRESS公司的存储芯片CY7C 4245。CY 7C 4245是高速、低功耗4K×8FIFO存储器。其操作频率可以达到100MHz,具有独立的18位输入、输出接口和读、写时钟信号。CY7C4245提供五个状态引脚,这些引脚通过编码来控制FIFO的五种状态:全空状态(Empty)、几乎全空状态(Almost Empty)、半满状态(Half Full)、几乎全满状态( Almost Full)和全满状态(Full)。FIFO的状态信息代表了已采样的点数。当采样点数达到预期的数量时,相应的状态位置位,触发DSP的外部中断,然后由DSP读取数据进行处理。
3.2.3数据处理部分
    在整个测试系统中,数字信号处理器是控制和处埋的核心部分。它具有丰富的指令集和较大的内存空间。可以实时、快速的实现各种数字信号处理算法,其运算能力和运算速度远远高于单片机,这也是我们选用DSP芯片的主要原因。 根据系统要求,本设计选用TI公司的数字信号处理器芯片TMS320LF2407,它属于‘MS 320C24x系列,针对数字控制系统应用进行了优化设计。它的运算速度高达30MIPS,内有多个通用定时器和一个监视( Watchdog)定时器,具有16个通道的脉宽调制fPWM1信道、内含2.5的片内RAM和32K片内Flash存储器,有一个异步串行接口和一个同步串行接口。41个通用输入/输出引脚。由以上分析可以看出,这款DSP芯片完全满足整个测试系统的要求。
是技术上比较成熟的数字信号处理器。4电路设计中应注意的几个问题    (1)测试脉冲的前沿特性要好,由于在测量过程中,线路对电信号的衰减会使反射波幅值变小,使波
形发生畸变。所以一定要保证测试脉冲的功率足够大,前沿特性要好,这样才能精确的检测并接收反射脉冲。    (2)根据测量距离的不同,应选择不同的测试脉冲,近距离采用低幅值的窄脉冲。能提高近距离的测量精确度并减少测量的盲区;远距离的采用高幅值的宽脲冲,可以提高测量距离。    (3)电路要具有很强的抗干扰能力,为了达到指
定精度,测试电路要排除自身电源、发射电缆和非故障线缆的干扰,这就要求在反射脉冲的接收过程中增加滤波电路。在数字信号的处理软件中增加数字滤波程序。
5结束语
    本文提出了检测网络线缆故障的一种方法,给出了以高速ADC和DSP芯片为主体的电路设计。这种设计可以有效的提高测量的精度和速度,减小仪器的体积和功耗。本方案应用在了科研项目便携式网络故障测试仪的设计中,实践表明,本文的设计具有很高的实用性和可靠性。(http://www.biaozhunkuai.com)