CC BY
222
ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ
УДК 681.518.3
И. А. Долгова, А. А. Селезнёв
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ
Аннотация. Статья посвящена проблеме калибровки датчиков давления. Описана автоматизированная система контроля динамических характеристик таких датчиков, представляющая собой программно-аппаратный комплекс для настройки испытательного стенда и анализа параметров датчиков динамического давления. Система выполняет функции управления USB-устройством, настройки АЦП и определения амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик датчиков давления по результатам их экспериментальных исследований на стенде для контроля динамических характеристик 913В02. Приведены схема испытательного стенда, обобщенный алгоритм работы системы и экранная форма работы программы. Программное обеспечение автоматизированной системы контроля динамических характеристик датчиков давления разработано в среде визуального программирования Delphi 7.0.
Ключевые слова: датчики давления, амплитудно-частотная характеристика, фазочастотная характеристика, АЦП.
В настоящее время датчики давления являются одними из наиболее распространенных датчиков физических величин. В процессе их производства наиболее сложной является задача калибровки датчика [1], т.е. подстройки показаний выходной величины его параметров до достижения согласования между эталонной величиной на входе и результатом на выходе. В ходе калибровки возникает необходимость снятия динамических, а именно амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ), характеристик испытуемого датчика.
АЧХ - функция зависимости амплитуды колебания на выходе устройства от частоты входного гармонического сигнала. Она измеряется по изменению частоты постоянного по амплитуде входного сигнала. АЧХ сигнала показывает, как передаются его отдельные гармонические составляющие, и позволяет оценить искажения его спектра.
ФЧХ - функция зависимости разности фаз между выходным и входным сигналами от частоты сигнала.
В настоящее время не существует автоматизированных систем, предназначенных для подбора параметров процесса калибровки датчиков динамического давления, настройки параметров усилителя заряда и цифрового осциллографа, осуществляющего наблюдение, запись и дальнейшую обработку сигналов, поступающих с датчиков.
Таким образом, актуальной является задача разработки автоматизированной системы контроля динамических характеристик датчиков давления.
Автоматизированная система контроля динамических характеристик датчиков давления выполняет следующие функции:
- настройку USB-осциллографа;
- снятие показаний напряжений на датчике давления;
- фильтрацию сигнала, поступающего с датчика давления;
- расчет и вывод на экран спектра испытуемого датчика;
- расчет и вывод на экран АЧХ и ФЧХ датчика давления.
Схема испытательного стенда для автоматизированной системы контроля динамических характеристик датчиков давления представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема испытательного стенда
Испытательный стенд калибровки датчиков давления включает в себя двухпортовый испытательный коллектор, направляющую трубу, вольфрамовый груз, турмалиновый эталонный датчик давления, коаксиальный кабель, калибруемый датчик, усилитель заряда, цифровой анализатор - осциллограф и персональный компьютер с программным обеспечением.
Цифровой осциллограф представляет собой комплекс, состоящий из прибора Handyscope HS3 производства фирмы TiePie Engineering (Нидерланды) и подключенного к нему через USB персонального компьютера с программным обеспечением к прибору HS3.
Handyscope HS3 - это 2-канальный, 12-разрядный АЦП с частотой оцифровки 100 млн выборок в секунду для каждого канала. Прибор можно использовать как цифровой запоминающий осциллограф, анализатор спектра, вольтметр или самописец. Он оцифровывает входной сигнал, обрабатывает, сохраняет и воспроизводит его на экране. Кроме двух каналов ввода имеет один канал вывода для формирования тестового сигнала с различными характеристиками, который может использоваться как генератор.
АЦП осциллографа позволяет записывать временной отрезок до 131 067 выборок при скорости до 50 млн выборок в секунду, что позволяет варьировать временной интервал в широком диапазоне. Имеется возможность однократного запуска измерений по условию превышения порога. В режиме осциллографа на экране монитора отображается изменяющееся во времени электрическое напряжение, т.е. временная зависимость вибрационного сигнала. Запуск может быть осуществлен в любой момент времени, что позволяет исследовать сигнал как до, так и после момента запуска измерения.
На рис. 2 представлена структурная схема испытательного стенда калибровки датчиков давления.
Входной сигнал
Структурная схема испытательного стенда калибровки датчиков давления
Система гидравлического калибратора
ПЭВМ
_5_
Автоматизированное рабочее место метролога (АРМ)
Рис. 2. Структурная схема системы калибровки
Сигнал с выхода системы гидравлического калибратора поступает на входы эталонного и испытуемого датчиков давления. После этого прошедшие через каждый датчик давления сигналы усиливаются с помощью усилителя сигналов. Усиленные сигналы поступают на входы цифрового ШБ-осциллографа, где оцифровываются, а затем в виде рядов числовых значений передаются на персональный компьютер.
Разработано программное обеспечение для контроля АФЧХ датчиков давления, установленное на компьютере, на экран которого выводятся результаты обработки в виде графиков АЧХ и ФЧХ сигналов, спектров сигналов, максимумов и минимумов сигналов.
Схема обобщенного алгоритма работы системы контроля динамических характеристик датчиков давления представлена на рис. 3. Автоматизированная система сохраняет числовые значения сигнала (его амплитуды), переданного от датчика давления через АЦП
ИББ-осциллографа, в файл (блок 2). После этого данные фильтруются одним из выбранных методов: методом аппроксимации каноническим полиномом или методом отбрасывания нижних частот сигнала (блоки 3-6). Затем сигнал масштабируется (блок 6). Далее вычисляются спектр амплитуд сигнала, спектр фаз, строятся графики АЧХ и ФЧХ сигнала (блок 7). Результаты вычислений выводятся на экран компьютера (блок 8).
6
Масштабирование сигнала
7
Вычисление спектра амплитуд, спектра
Вывод результатов
9
^онец
Рис. 3. Схема обобщенного алгоритма работы автоматизированной системы контроля динамических характеристик датчиков давления
Для реализации функции системы «фильтрации входного сигнала» [2, 3] были разработаны математическая модель, основанная на методе аппроксимации входного сигнала каноническим полиномом [4], и математическая модель, основанная на реализации
метода отбрасывания нижних частот. Для разработки математической модели функции системы вычисления спектральной характеристики входного сигнала был выбран метод Прони [5]. Для реализации функции системы построения зависимости векторов была разработана математическая модель, основанная на методе линейной аппроксимации.
Программное обеспечение автоматизированной системы контроля динамических характеристик датчиков давления разработано в среде визуального программирования Delphi 7.0.
На рис. 4 показана экранная форма главного модуля программы.
Рис. 4. Экранная форма главного модуля программы
Вкладка «Осциллограф» реализует функцию системы по настройке ИББ-осцилло-графа, настройке усилителя заряда, а также функцию измерения сигнала. Вкладка «Анализатор» - функции системы по цифровой обработке сигнала, а именно фильтрации сигнала и расчета его спектральной характеристики.
Таким образом, разработана автоматизированная система контроля динамических характеристик датчиков давления, представляющая собой программно-аппаратный комплекс для настройки испытательного стенда и анализа параметров датчиков динамического давления.
Разработанная автоматизированная система контроля динамических характеристик датчиков давления используется в рамках ОКР «Разработка алгоритма функционирования, программного обеспечения стенда для контроля динамических характеристик МЭМС (микроэлектромеханические системы) и МОЭМС (микрооптоэлектромеханиче-ские системы)» в НОЦ «РКАП» (Научно-образовательный центр Пензенского государственного университета и открытого акционерного общества «Научно-исследователь-
ский институт физических измерений» «Ракетно-космическое и авиационное приборостроение») совместно с ОАО «НИИФИ».
Список литературы
1. Датчики давления. - URL: www.pribor-service.ru
2. Коломийцева, А. В. Применение вейвлет-преобразования и метода Прони для идентификации сигналов / А. В. Коломийцева, Г. В. Мишугова // Вестник Донского государственного технического университета. - 2010. - Т. 10, № 4 (47).
3. Чувыкин, Б. В. £Д-АЦП: синтез структур высоких порядков / Б. В. Чувыкин, Э. К. Шахов, В. Н. Ашанин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2007. - № 2. - C. 67-79.
4. Митрофанов, Г. А. Основы и приложения метода Прони-фильтрации / Г. А. Митрофанов, В. В. Прийменко // Технологии сейсморазведки. - 2011. - № 3. - C. 93-108. - URL: http://ts.ipgg.nsc.ru
5. Кухаренко, Б. Г. Исследование динамики нелинейных систем на основе переходных временных рядов / Б. Г. Кухаренко // Труды Московского физико-технического института. - 2011. - Т. 3, № 3. - С. 146-152.
Долгова Ирина Анатольевна
кандидат технических наук, доцент, кафедра информационно-вычислительных систем, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Dolgova Irina Anatol'evna
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of information and computing systems, Penza State University
Селезнёв Анатолий Анатольевич
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Seleznev Anatoliy Anatol'evich
student,
Penza State University
УДК 681.518.3 Долгова, И. А.
Автоматизированная система контроля динамических характеристик датчиков давления /
И. А. Долгова, А. А. Селезнёв // Вестник Пензенского государственного университета. - 2014. - № 3 (7). -С. 70-75.
