Техническая реализация системы гониометрического контроля
Следует отметить, что алгоритмическая реализация фазового метода обработки данных акселерометрического гониометра [63], путем программного трансформирования считываемых цифровых сигналов является не единственным подходом проектирования данной измерительной системы.
При применении аналоговых (промышленных) высокоточных акселерометров, перспективным является последовательное аппаратная реализация фазового метода, при котором осуществляется подключение трехкомпонентных акселерометров к устройству формирования сигнала (рисунок 40). Данное подключение носит характер пространственно ориентированного измерительного моста, выходами которого являются узлы соединения акселерометров на каждом из звеньев объекта контроля. Применение этого подхода в рамках реализации акселерометрического гониометра позволяет устранить влияние мультипликативной нестабильности [50, 58, 128].
Рисунок 40 - Блок-схема устройства формирования сигнала гониометра
По приведенной схеме осуществляется преобразование аналоговых сигналов с акселерометрического преобразователя 1, напряжения на выходах 2 и
3 которого подаются на вход фазового детектора 6, выходные сигналы которого преобразуются в дифференциальном усилителе 9, который обеспечивает выходное постоянное напряжение. Входящий в состав устройства переменный резистор 8 присоединен ко второму входу дифференциального усилителя 9 и выходу второго фазового детектора 7, входы которого соединены с источником питающего тока 4 и выходом фазовращателя 5. Включение в цепь дополнительного фазовращателя 5 является следствием необходимости генерации фазово-квадратурного сигнала, на основании сигнала, поступающего с источника переменного тока 4. Оптимальная величина фазового сдвига должна находиться в пределах
и преимущественно должна быть равна π2.
достигается питанием измерительного преобразователя квадратурными составляющими.
Качество функционирования акселерометрических преобразователей дифференциального типа 1 контролируется при использовании дополнительных фазовых детекторов 10 и 11, на вход которых подключен источник переменного тока 4 и фазовращатель 5. К выходам фазовых детекторов подключен дифференциальный усилитель 12, после которого сигнал поступает на вход детектора ошибки 13, генерирующего сигнал ошибки в случае, если выполняется условие рассогласования ветвей, являющегося следствием конструктивного износа акселерометрического преобразователя или его неисправности.
После преобразований, сигналы на выходе основного фазового детектора 6 примут вид:
где рА и рВ - сдвиг фазы сигнала акселерометра а и акселерометра b относительно сигнала опорного генератора, ΔK1, ΔK2- коэффициенты нестабильности ветвей измерительного преобразователя, определяемые относительным измерением параметра ветви; U0-напряжение питания акселерометрического
преобразователя, φκιи φκ2- фазы рассогласования измерительных ветвей,
Kx1, Ky1, Kx2, Ky 2- коэффициенты преобразования акселерометров.
Вследствие того, что акселерометры в измерительной цепи подключены последовательно, коэффициенты преобразования каждого акселерометра по двум координатным осям равны: Kx1=K1и Kx2 =Ky2, что представляет собой также условие совпадения фаз рассогласования измерительных ветвей φK1 = φK2=0. Преобразованный сигнал акселерометра с выхода фазового детектора характеризуется пропорциональной зависимостью от угла относительного поворота φпары акселерометров. При этом осуществляется компенсация влияния коэффициентов нестабильности и повышается устойчивость результирующего информативного сигнала.
Для апробации разработанного метода гониометрического контроля было спроектировано его аппаратно-техническое обеспечение. В данном случае наиболее удобным решением стало использование цифровых акселерометров и программной реализации фазометрического метода гониометрического контроля.
Рисунок 41 - Функциональная схема системы гониометрического контроля
Система гониометрического контроля, разработанная с использованием фазометрического метода включает в себя две функциональные части (рисунок 41):
- измерительный блок системы;
- блок сбора и управления.
Измерительный блок включает в себя набор цифровых акселерометрических гониометров, соединённых последовательно. Конструкция каждого гониометра представляет собой две миниатюрных электроизолированных печатных платы на базе акселерометров LIS331DLH [129] с набором элементов обвязки модуля для согласования уровней напряжения (рисунок 42).
Рисунок 42 - Цифровой акселерометрический гониометр.
Конструкция акселерометрического гониометра позволяет реализовать фазометрические преобразования и обеспечивает эргономичность, а также возможность адаптации под конструкции объекта контроля различной сложности. Назначение блока сбора и предварительной обработки заключается в регистрации значений параметров ускорений по каждой из 3 осей акселерометров, входящих в измерительную цепь. Конструктивно блок сбора представляет собой печатную плату, оснащенную микропроцессором, модулем wi-fi, мультиплексором и функциональными разъемами. К блоку сбора по интерфейсу I2C через мультиплексор подключены акселерометры. Данные из блока сбора на ПК или сервер передаются посредством USB или wi-fi.
111
Рисунок 43 - Адаптер сбора данных системы гониометрического контроля.
Схемаэлектрическая принципиальная.
На основании приведенной функциональной схемы была разработана схема электрическая, позволяющая получить наиболее полное представление о работе всех компонентов входящих в измерительную гониометрическую систему (рисунок 43).
При реализации системы гониометрического контроля был выбран процессор ATMega328, обладающий требуемыми техническими характеристиками [130]. Компонентами данной схемы также являются стабилизатор напряжения MC34063A и мультиплексор, обеспечивающий подключение акселерометров LIS331DLH к I2C шине процессора. Необходимость включения в цепь мультиплексора обусловлена технической реализацией акселерометрических преобразователей, заключающейся в отсутствии возможности динамической смены адреса устройств. В таком случае, каждый из акселерометров имеет жестко зашитый адрес, и идентификация конкретного датчика на линии является невозможной. Мультиплексирование шины посредством чипа PCA9544A позволяет решить эту задачу. Подключение
акселерометрических датчиков и Wi-Fi модуля ESP8266 [131] осуществляется посредством разъемов X1 и X2 соответственно.
В результате был спроектирован макетный образец адаптера сбора данных (рисунок 44, 45), позволяющий осуществлять гониометрические измерения в режиме реального времени с Wi-Fi передачей данных на персональный компьютер для дальнейшей обработки.
Рисунок 44 - Опытный образец системы гониометрического контроля.
Адаптер сбора данных.
Рисунок 45 - Опытный образец системы гониометрического контроля
4.1