Динамическая калибровочная характеристика виброметра, использующего размытие изображения круглой метки

На диаграммах «в» представлен видеоимпульс, соответствующий диаметральному сечению изображения круглой метки при наличии вибрации. Этот импульс имеет форму не прямоугольника, а равнобедренной трапеции. Это связано с тем, что за время экспозиции регистрирующего устройства исследуемая материальная точка успевает совершить несколько периодов вибрационного перемещения по аппликате, то приближаясь к регистрирующему устройству, то удаляясь от него. В результате та часть размытого вследствие вибрации изображения, которая расположена внутри внутреннего пунктирного круга на диаграммах «а», в течение всего времени экспозиции регистрирующего устройства будет отображаться этим устройством. Что же касается части размытого вследствие вибрации изображения, которая заключена между двумя пунктирными окружностями, то эта часть отображается регистрирующим устройством не в течение всего времени экспозиции, а только в течение части этого времени. Эта часть тем больше, чем ближе соот-

ветствующая точка к внутренней пунктирной окружности. В результате накопленная за время экспозиции интенсивность изображения спадает от внутренней пунктирной окружности диаграмм «а» к внешней. По этой причине длительность результирующего бинарного импульса, представленного на диаграммах «д», зависит от порогового уровня бинаризации. Если пороговый уровень бинаризации установлен выше половины амплитуды импульса, представленного на диаграммах «в», то вибрационное приращение радиуса изображения круглой метки будет отрицательным. Если пороговый уровень бинаризации установлен ниже половины амплитуды импульса, представленного на диаграммах «в», то вибрационное приращение радиуса изображения круглой метки будет положительным.

Таким образом, установлено качественное различие между статическим и динамическим перемещениями и доказано, что статическая калибровка не соответствует тем соотношениям, которые реально осуществляются при вибрационном перемещении исследуемой материальной точки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Таньков Г.В., Трусов В.А., Юрков Н.К., Григорьев А.В., Данилова Е.А. Исследование динамики печатных плат радиоэлектронных средств // Пенза: Изд-во ПГУ, 2016. 118с.

2. Brostilova T.'Yu., Brostilov S.A., Yurkov N.K., Bannov V.Ya., Grigoriev A.V. Test station for fibre-optic pressure sensor of reflection type // Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science, Proceedings of the 13th International Conference on TCSET 2016. P. 333-335

3. Grigoriev A.V., Danilova E.A.r Yurkov N.K. Method of measuring vibration movements of material points on the surface of the controlled object // Proceedings of 2017 20th IEEE International Conference on Soft Computing and Measurements, SCM 2017. V2. P. 203-207

4. Grigoriev A.V., Trusov V.A., Kochegarov I.I.r Goryachev N.V., Pivkin A.V. Characteristics of image blur of the round mark during vibration movement along Z axis // Conference Proceedings -2016 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering, APEDE 2016. V2. P. 298-305

5. Grigor'ev A.V., Zatylkin A.V., Yurkov N.K. Method for Contactless Three-Component Vibration Measurement // Measurement Techniques. 2017. V59. N12. P. 1291-1296

6. Grigoriev A.V., Yurkov N.K., Kochegarov I.I. Contactless measurement technique for the amplitude of vibrational movement of the test material point // Proceedings of 2016 IEEE East-West Design and Test Symposium, EWDTS 2016. P. 549-551

7. Grigor'Ev A.V., Grishko A.K., Goryachev N.V., Yurkov N.K., Micheev A.M. Contactless three-component measurement of mirror antenna vibrations // 2016 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016 - Proceedings.

8. Надырбеков Г.Ж., Григорьев А.В., Кочегаров И.И., Лысенко А.В., Стрельцов Н.А. Структурное описание размытия изображения круглой метки при возвратно-поступательном вибрационном перемещении исследуемой материальной точки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 017. Т.2. С. 11-13.

9. Нуржанов Д.Х., Григорьев А.В., Трусов В.А., Баннов В.Я., Стрельцов Н.А. Анализ размытия изображения круглой метки при возвратно-поступательном вибрационном перемещении исследуемой материальной точки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2017. Т.2. С. 14-16.

10. Каражанов Б.Б., Григорьев А.В., Данилова Е.А., Гришко А.К. Особенности отображения вектора вибрационного перемещения материальной точки в плоскости изображения // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2017. Т.2. С. 16-20.

11. Григорьев А.В., Юрков Н.К., Трусов В.А., Баннов В.Я. Структура методики анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 28-31.

12. Григорьев А.В., Затылкин А.В., Лысенко А.В., Таньков Г.В. Формирование и описание отсчетных сегментов следа вибрационного размытия изображения круглой метки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 31-37.

УДК 004.932.2

Григорьев А.В., Чувашлев К.А., Наумова И.Ю., Баннов В.Я.

Пензенский государственный университет, г. Пенза, Россия ДИНАМИЧЕСКАЯ КАЛИБРОВОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВИБРОМЕТРА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО РАЗМЫТИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ КРУГЛОЙ МЕТКИ

Представлены схема и описание эксперимента по динамической калибровке виброметра перемещения, реализующего анализ размытия изображения круглой метки. Представлена и проанализирована таблица экспериментальных значений измеряемых величин. Представлен график экспериментальной абсолютной величины вибрационного приращения радиуса изображения круглой метки как функции вибрационного перемещения исследуемой материальной точки. График аппроксимирован прямой по методу наименьших квадратов. Построен полученный методом вероятностного прогнозирования график приведенной погрешности измерения вибрационного перемещения как функции количества пикселей, приходящихся на изображение круглой метки.

Ключевые слова:

ЭКСПЕРИМЕНТ, ДИНАМИЧЕСКАЯ КАЛИБРОВКА, ВИБРОМЕТР ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, РАЗМЫТИЕ, ИЗОБРАЖЕНИЕ, КРУГЛАЯ МЕТКА, МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА, ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ, АКСЕЛЕРОМЕТР, ПЛАТА, СВЕТООПТИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП, РАДИУС, ЧАСТОТА, ВОЗДЕЙСТВИЕ, ПРИВЕДЕННАЯ ПОГРЕШНОСТЬ

1 Описание эксперимента по динамической ка- На рис. 1 представлена схема эксперимента по

либровке виброметра перемещения, реализующего динамической калибровке системы измерения виб-анализ размытия изображения круглой метки рационного перемещения исследуемой материальной

точки.

Рисунок 1 - Схема эксперимента по динамической калибровке системы измерения вибрационного перемещения исследуемой материальной точки

На вибровозбудителях 1 была размещена плата 2, на которой закреплен механический контактный датчик вибрационного ускорения 3 и нанесена круглая белая метка 4 на черном фоне, диаметр которой был равен 4мм. Над этой меткой было размещено регистрирующее устройство — цифровой све-тооптический микроскоп В1д1М1сгоРго£. Вначале осуществлялось фотографирование метки при отсутствии вибрации (рисунок 4.2а).

Полученная фотография подвергалась бинаризации с пороговым уровнем и1=0,9и и фильтрации с целью устранения белых вкраплений за пределами изображения метки и черных раковин внутри этого изображения.

При построчном считывании бинарного отфильтрованного изображения осуществлялся подсчет количества пикселей, принадлежащих изображению метки, в результате чего измерялась площадь изображения круглой метки при отсутствии вибрации. На основании этого результата по формуле (1) вычислялся радиус изображения метки 1о при отсутствии вибрации:

¡т! 0

к

где Б±тЬо — площадь изображения круглой метки при отсутствии вибрации.

Затем возбуждалась вибрация. Вибрация регулировалась по показаниям контактного датчика: последовательно формировались гармонические вибрации частотой 5 0Гц и амплитудой вибрационного ускорения 1д, 2д, ..., 9д, где д — ускорение свободного падения.

Поскольку вибрации гармонические и известна их частота, вибрационное перемещение вычислялось по формуле:

106 Ag

М [мкм] =

(2к/)2

где М — вибрационное перемещение исследуемой материальной точки; А — вибрационное ускорение, измеренное контактным виброакселерометром 3 в единицах д (ускорения свободного падения); £ — частота измеряемого вибрационного воздействия. При этом, если ускорение свободного падения измерено в м/с2, а частота измеряемого вибрационного воздействия измерена в герцах, то есть в секундах в минус первой степени, то результирующее вибрационное перемещение получится в микрометрах.

При каждом значении вибрационного ускорения регистрирующее устройство осуществляло фиксацию изображения метки. Это изображение подвергалось бинаризации с пороговым уровнем 0,9 наибольшей интенсивности изображения круглой метки. Полученное бинарное изображение подвергалось фильтрации с целью устранения паразитных вкраплений белого на черном фоне и устранения раковин черного внутри бинарного изображения белой метки. Осуществлялся подсчет количества пикселей, принадлежащих размытому изображению метки, в результате чего формировались значения площади размытых изображений метки. Затем, по формулам (3) и (4), соответственно, вычислялись значения радиуса 1г размытого вследствие вибрации изображения круглой метки и приращения этого радиуса.

с

' ¡т!х

к

где — площадь размытого

изображения круглой метки.

следствие вибрации

К = К - 1о  4)

Вибродиагностика технических объектов, таких, как здания и сооружения, машины и механизмы, радиоэлектронная аппаратура является перспективным средством обнаружения дефектов в латентной их фазе, когда они еще не приводят к отказу оборудования и не ухудшают качества его работы [1]. Контактные средства измерения вибраций, даже такие продвинутые, как волоконно-оптические [2], имеют ограниченный диапазон по частоте измеряемых вибрационных воздействий и не поддерживают векторное измерение вибрации. В мире имеется опыт создания контактных векторных датчиков для измерения вибрации, но эти датчики пока не получили широкого распространения. Настоящая статья посвящена развитию уникальной технологии бесконтактной векторной виброметрии, в основу которой положен анализ размытия изображения круглой метки [3-14].

2 Результаты эксперимента по динамической калибровке виброметра перемещения, реализующего анализ размытия изображения круглой метки

Результаты этих измерений представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты измерений

Б±тГ_0=7 39219 гип2; 1о=485, 078гил

к А(к), д М(к), мкм Simtz (к) , ГиП2 1г (к), гип (к) , гип

1 1 99,37 735973 484,012 -1,06619

2 2 198,7 735889 483,984 -1,09381

3 3 298,1 734623 483,568 -1,51031

4 4 397,5 733192 483,097 -1,98152

5 5 496,8 731341 482,486 -2,59171

6 6 596,2 729387 481,841 -3,23669

7 7 695,6 729112 481,751 -3,32754

8 8 794,9 727353 481,169 -3,90901

9 9 894,3 726479 480,88 -4,19818

1о =

На рис. 2 представлен экспериментальный график динамической калибровочной характеристики виброметра перемещения, использующего размытие изображения круглой метки.

Данная калибровочная характеристика представляет собой зависимость абсолютной величины вибрационного приращения радиуса изображения круглой метки от вызвавшего его вибрационного перемещения исследуемой материальной точки.

Полученная экспериментальная зависимость была аппроксимирована прямой по методу наименьших квадратов. Анализ графика показывает, что данную калибровочную характеристику можно считать линейной.

3 Приведенная погрешность измерения вибрационного перемещения как функция количества пикселей, приходящихся на изображение круглой метки

Рисунок 2 - Экспериментальный график динамической калибровочной характеристики виброметра перемещения, использующего размытие изображения круглой метки

Под приведенной погрешностью понимается относительная погрешность измерения при значении измеряемой величины, равном некоторому нормирующему значению. В качестве нормирующего вибрационного перемещения было принято значение MN=1000 мкм. Аппроксимация функции, представленной на рис. 2, показывает, что при MN=1000 мкм | iz|(MN) =4, 80838 run, где |iz|(MN) — абсолютная величина вибрационного приращения радиуса изоб-

ражения круглой метки при вибрационном перемещении исследуемой материальной точки, равном нормирующему значению.

Методом вероятностного прогнозирования погрешности дискретизации четкого и размытого изображений круглой метки была получена расчетная приведенная погрешность измерения вибрационного перемещения как функция количества пикселей, приходящихся на изображение круглой метки (рис. 3).

Рисунок 3 - Приведенная погрешность измерения вибрационного перемещения как функция площади

изображения круглой метки

В двойном логарифмическом масштабе график на изображение круглой метки, либо наоборот, задавшись требуемой приведенной погрешностью, определить количество пикселей, приходящихся на изображение круглой метки, достаточное для того, чтобы приведенная погрешность не превысила заданного значения.

представляет собой монотонно убывающую прямую.

С помощью этого графика можно прогнозировать погрешность измерения вибрационного перемещения при заданном количестве пикселей, приходящихся

ЛИТЕРАТУРА

1. Таньков Г.В., Трусов В.А., Юрков Н.К., Григорьев А.В., Данилова Е.А. Исследование динамики печатных плат радиоэлектронных средств // Пенза: Изд-во ПГУ, 2016. 118с.

2. Brostilova T.Yu., Brostilov S.A., Yurkov N.K., Bannov V.Ya., Grigoriev A.V. Test station for fibre-optic pressure sensor of reflection type // Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science, Proceedings of the 13th International Conference on TCSET 2016. P. 333-335

3. Grigoriev A.V., Danilova E.A., Yurkov N.K. Method of measuring vibration movements of material points on the surface of the controlled object // Proceedings of 2017 20th IEEE International Conference on Soft Computing and Measurements, SCM 2017. V2. P. 203-207

4. Grigoriev A.V., Trusov V.A., Kochegarov I.I., Goryachev N.V., Pivkin A.V. Characteristics of image blur of the round mark during vibration movement along Z axis // Conference Proceedings -2016 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering, APEDE 2016. V2. P. 298-305

5. Grigor'ev A.V., Zatylkin A.V., Yurkov N.K. Method for Contactless Three-Component Vibration Measurement // Measurement Techniques. 2017. V59. N12. P. 1291-1296

6. Grigoriev A.V., Yurkov N.K., Kochegarov I.I. Contactless measurement technique for the amplitude of vibrational movement of the test material point // Proceedings of 2016 IEEE East-West Design and Test Symposium, EWDTS 2016. P. 549-551

7. Grigor'Ev A.V., Grishko A.K., Goryachev N.V.r Yurkov N.K. , Micheev A.M. Contactless three-component measurement of mirror antenna vibrations // 2016 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016 - Proceedings.

8. Надырбеков Г.Ж., Григорьев А.В., Кочегаров И.И., Лысенко А.В., Стрельцов Н.А. Структурное описание размытия изображения круглой метки при возвратно-поступательном вибрационном перемещении исследуемой материальной точки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 017. Т.2. С. 11-13.

9. Нуржанов Д.Х., Григорьев А.В., Трусов В.А., Баннов В.Я., Стрельцов Н.А. Анализ размытия изображения круглой метки при возвратно-поступательном вибрационном перемещении исследуемой материальной точки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2017. Т.2. С. 14-16.

10. Каражанов Б.Б., Григорьев А.В., Данилова Е.А., Гришко А.К. Особенности отображения вектора вибрационного перемещения материальной точки в плоскости изображения // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2017. Т.2. С. 16-20.

11. Григорьев А.В., Юрков Н.К., Трусов В.А., Баннов В.Я. Структура методики анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 28-31.

12. Григорьев А.В., Затылкин А.В., Лысенко А.В., Таньков Г.В. Формирование и описание отсчетных сегментов следа вибрационного размытия изображения круглой метки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 31-37.

13. Григорьев А.В., Кочегаров И.И., Бростилов С.А., Горячев Н.В., Андреев П.Г. Анализ отсчетных сегментов следа вибрационного размытия изображения круглой метки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 37-41.

14. Григорьев А.В., Гришко А.К., Лапшин Э.В., Наумова И.Ю., Данилова Е.А., Юрков Н.К. Вычисление выходных параметров системы измерения модуля и компонент вектора вибрационного перемещения исследуемой материальной точки объекта контроля // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 41-44.

УДК 681.2:658.62.018.012

Дробынин1 М.Е., Львов2 П.А., Львов1 А.А., Мельникова1 Н.И.

!фГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия

2ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева, Энгельс, Саратовская обл., Россия

КОМПЕНСАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПОЛУМОСТОВОЙ СХЕМЫ: АНАЛИЗ МЕТОДА

В работе предложен метод компенсации полумостовой схемы для снижения температурного дрейфа постоянного смещения и увеличения динамического диапазона пьезорезистивного датчика давления. Рассмотрены случаи, когда в качестве источника сигнала мостовой схемы используются источники постоянного напряжения и постоянного тока. Проведен теоретический анализ результирующего напряжения смещения выходного сигнала схемы в зависимости от измеряемого давления и температуры окружающий среды.

Ключевые слова:

ПОЛУМОСТОВАЯ СХЕМА, ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ, РЕЖИМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ

1 Введение

Микродатчики были разработаны достаточно давно, они являются устоявшейся технологией в микро-электромеханических системах. Главным направлением в разработке таких датчиков являются уменьшение размеров системы при обеспечении функциональности, качества и уменьшении количества материалов, используемых для производства с целью снижения конечной стоимости продукта. Микродатчики давления могут применяться в таких сферах как информатика, коммуникации, бытовая электроника, биотехнологии, изготовление полупроводниковых материалов и прочие связанные производства. Особое место занимают датчики давления в авиационной отрасли, где они должны сохранять свои характеристики в большом диапазоне температур [12-15].

Микродатчики давления, использующие кремний, разделяются на три типа: пьезорезистивные, пьезоэлектрические и емкостные. Среди них, самым широко используемым типом является пьезорези-стивный датчик давления. Пьезорезистиные кремниевые датчики давления основаны на хорошо проявляющемся пьезорезистивном эффекте самого кремния. При воздействии внешнего давления, пьезо-резистор изменяет свое строение, что вызывает изменение соответствующего выходного сигнала. Пьезорезисторы часто соединяются по мостовой схеме для увеличения чувствительности датчика и уменьшения поперечной чувствительности.

Несмотря на это, главной проблемой пьезоре-зистивных датчиков давления остается большая чувствительность кремния к температуре. Температурный эффект проявляется в изменении динамического диапазона измерений и возникновении постоянного смещения выходного сигнала датчика [1]. В последнее время было предложено множество способов температурной компенсации, таких как:

термокомпенсация с использованием двойного моста [2-4], лазерной обработки [5], использованием внешних резисторов [6], и цифровой компенсации [7]. Обычно, эти методы применяются для ограниченного интервала температур и давлений. Термокомпенсация с использованием двойного моста может успешно справляться с смещением нуля давления и ошибками, вызванными вариациями обработки [2,8]. Важной проблемой остается обеспечение температурной компенсации, что обусловлено различием в температурах окружающей среды пьезоре-зистивного и компенсационного мостов, расположенных на значительной части чипа датчика [9]. В данной работе исследуется новая структура пье-зорезистивного датчика давления, основанная на методе полумостовой компенсации.

2 Температурный эффект датчика на основе мостовой схемы Уитстона

Общая схема моста Уитстона приведена на рис. 1. Она используется для обнаружения несбалансированного выходного напряжения, вызванного изменением температуры или давления. Существует два типа питающего напряжения, с применением постоянного тока или постоянного напряжения, приложенного к схеме компенсации.

2.1 Питание схемы постоянным напряжением

Как видно из рис. 1, Rl, R2, Rз, и R4 - четыре резистора, формирующие мост Уитстона, Vвх - входное напряжение, приложенное к нему. Структурный вид этих резисторов представлен на рис. 2. Они попарно расположены в перпендикулярном и параллельном направлениях относительно краев мембраны. При такой конфигурации, колебания сопротивления этих резисторов под воздействием давления будут противоположны по знаку. На рис. 2 резисторы Rкl и Rк2 расположены за пределами диафрагмы.