CC BY
11
УДК 531
Б01: 10.15587/2312-8372.2019.169340
РОЗРОБКА МЕТОДУ ОПРАЦЮВАННЯ СИГНАЛУ ДАТЧИК Квасшков В. П., Передерко А. Л.
1. Вступ
Сучасний розвиток техшки для забезпечення достовiрного контролю i управлшня в технiчних системах вимагае наявност високоточних вимiрювальних засобiв. Вони дозволяють вимiрювати технологiчнi параметри в процес експлуатацii та оптимiзувати процеси створення нових зразюв на етапi проектування i проведення випробувань. У широкому спек^ вимiрюваних в технiчних системах мехашчних величин особливе мiсце займають вимiрювання таких параметрiв, як прискорення, швидюсть, перемiщення, вiбрацii. При вимiрюваннях, прямих або непрямих, основною ланкою вимiрювальноi системи е первинний перетворювач (датчик). Це аналоговий прилад або пристрш, побудований на основi реаизацп певних фiзичних властивостей i здатний перетворювати вплив, який на нього чинить середовище, або об'ект вимiрювання в прийнятний для вiдображення, обробки та реестрацп вид. В процес проведення вимiрювання, в умовах виробництва, на первинш перетворювачi, окрiм вимiрюваного параметру, дiють безлiч дестабiлiзуючих факторiв, таких як стороннi вiбрацii, швидк змiни температури середовища, електричнi завади та електромагнпга поля [1]. В комплекс перелiченi фактори впливають на нормальну роботу датчикiв: зменшуеться точнють та достовiрнiсть вимiрювань. Щоб запоб^ти вказаним впливам необхiдно застосовувати додатковi схемнi або алгоритмiчнi рiшення при обробщ сигналу вимiрювань. В роботах багатьох авторiв пiднiмалося питання щодо дрейфу нуля п'езоелектриюв пiд впливом температури [2-4]. Наявнють цього явища пiдтверджено автором працi [5], де експериментально доведена залежнiсть п'езомодулiв вщ температури. Також такоi думки притримувались автори дослiджень [6-8], якi пропонували своi технiчнi рiшення для швелювання вказаного впливу на результати вимiрювань. Отже, напрямок дослiджень, викладений в данш роботi, е актуальним на сьогодш.
Таким чином, об'ектом дослгдження е процес обробки сигналу первинного перетворювача певним методом. А метою дослгджень е зменшення впливу температурних флуктуацш на достовiрнiсть результатiв вимiрювань.
2. Методика проведення дослiджень
При проведенш дослiджень застосовувалась:
- теорiя обробки сигналiв та теорiя вимiрювань, якi використовувалися для аналiзу та зменшення похибок;
- теорiя до^дження вiбрацiйних i ударних сигналiв, яка базуеться на використанш методiв спектрального та статистичного анаизу часових рядiв в застосуваннi до сигналiв п'езоелектричних датчиюв прискорення.
3. Результати досл1джень та обговорення
Багатьом аналоговим первинним перетворювачам притаманне таке явище, як дрейф нуля - флуктуащя рiвня постiйноi складово! в комплексному корисному сигнаи в процес вимiрювання. Цi коливання викликанi факторами впливу середовища на умови проведення вимiрювань та власне фiзичними властивостями, притаманними самим первинним перетворювачам. Вони не несуть в собi тяко! шформативно! складово! i вносять похибку при проведет вимiрювання. Наприклад, на п'езоелемент, працюючий на первинному п'езоефекл в якостi датчика п'езоелектричного акселерометра, при проведет вимiрювання дiе такий зовнiшнiй фактор середовища, як температура, значення котро! швидко мiняються в чаш в широких межах. Ц змши температури приводять до появи на обкладках п'езоелемента додаткових зарядiв:
Ч = (1)
де д - заряд на електродах п'езоелемента; йъъ - п'езомодуль (поздовжнш щодо осл залишково! поляризацп Т)\ V - зовшшня сила, яка д1е на акселерометр.
На рис. 1 приведена температурна залежшстъ п'езомодуля б/33 вщ температури [5] в дiапазонi температур вiд 20 °С до 250 °С (верхнiй дiапазон -це половина значення температури Кюрi для дослiджуваного п'езокерамiчного матерiалу) для п'езокерамжи ЦТС-196 (АТ «Елпа», Росiя).
400 •
2001-•-1-
0 100 200 Т, °С
Рис. 1. Температурна залежшсть п'езомодуля ¿/33 п'езокерамши ЦТС-196
3 графша на рис. 1 видно, що поздовжнш щодо ос1 залишково! поляризацп п'езомодуль ¿/33 залежить вщ температури [9, 10] \ ця залежшстъ мае нелшшний характер.
В данш робот розглянуто метод видiлення постшно! складово! з комплексного сигналу, який полягае в тому, що комплексний сигнал затримуеться паралельним каналом по фазi на половину перiоду, а попм на суматорi складаеться з сигналом основного каналу. Таким чином, змшт складовi комплексного сигналу у всьому динамiчному дiапазонi частотного сигналу, що приходять на суматор в протифаз^ взаемно вщшмаються. Структурна схема реаизацп вказаного методу приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структурна схема видшення постшно! складово! з комплексного сигналу первинного перетворювача: ип - вхщний комплексний вимiрювальний сигнал; иоШ - видшена постiйна складова комплексного сигналу вимiрювання; Ф - фазовий фшьтр; X - суматор; 1, 2, 3, 4 - точки вимiрювання осцилограми;
//и - перетворювач часто т .
В паралельному каналi для затримки сигналiв застосоваш фазовi фiльтри першого порядку. Умовою безпомилково! передачi сигналiв е постшний коефщент передачi. У фазових фшьтрах ця умова виконуеться повнiстю. Друга умова полягае в тому, щоб груповий час затримки фшьтра для всього динамiчного дiапазону частот первинного перетворювача був постшним.
Фазовий фшьтр першого порядку, представлений на рис. 3, може застосовуватися в якост широкосмугового затримувача фаз. Передатна функщя фшьтру першого порядку згiдно рис. 3 мае вигляд:
к(р)=-1
де R2, C - компоненти фазового фшьтра першого порядку.
(2)
Рис. 3. Фазовий фшьтр першого порядку: R1, R2 - ошр; С - емнють, DA1 - операцшний тдсилювач
Особливютю фазового фшьтру першого порядку е те, що, змiнюючи величину опору резистора Я2, можна встановлювати фазовий зсув в дiапазонi вiд 0 до -180°, не змшюючи при цьому амплггуду вихiдного сигналу. Величина кута фазового зсуву а в градусах для схеми фазового фшьтра на рис. 4 розраховуеться за формулою:
-2аг^(соЯ2С)Ш°
а =-1---, (3)
ж
де со = 2ж /.
Рис. 4. Осцилограми роботи схеми видшення постшно! складово! з комплексного сигналу первинного перетворювача. Осцилограми 1, 2, 3, 4 вщповщають точкам вимiрювання осцилограм на блок-схемi рис. 2
Для забезпечення регулювання затримки фази в широкому дiапазонi застосованi два послiдовно з'еднаних фазових детектора, номшали яких налаштоваш на затримку фази сигналу - 90° кожен.
В результат два фазових фшьтра в сумi затримують сигнал на 180°, а на суматорi з коефiцiентом передачi 0,5 (рис. 2) вщбуваеться складання сигналiв. У пiдсумку на виходi отримуемо постшну складову з коефiцiентом передачi рiвним одиницi. Робота схеми видшення постшно! складово! з комплексного сигналу первинного перетворювача представлена на осцилограмах рис. 4.
З формули (3) видно, що затримка фази також залежить вщ частоти сигналу, який надходить на вхщ фазового фшьтра. Тому для забезпечення стабшьно! компенсацп постiйноi складово! сигналу у всьому динамiчному дiапазонi первинного перетворювача, а це дiапазони частот, здебшьшого, вiд 310 Гц до 10-15 кГц, необхщно змшювати постiйну часу ланцюга затримки фазового фшьтра. Цей ланцюг реалiзований на елементах Я2 i С (схема на рис. 4). Змшювати постшну часу техшчно зручшше, змiнюючи отр резистора Я при С=сот1. Робота схеми видшення постшно! складово! з комплексного сигналу первинного перетворювача представлена на осцилограмах рис. 4.
Залежшсть величини опору Я2 фазового фiльтра вiд частоти сигналу / в динамiчному дiапазонi 10^10000 Гц для забезпечення затримки на -90° у всьому дiапазонi приведена на рис. 5.
Для забезпечення регулювання величини опору Я в межах зазначеного дiапазону в схему фазового фшьтра використовуеться перетворювач частота-напруга //и (рис. 2). Таким чином, при збшьшенш частоти сигналу напруга и на виходi перетворювача частота-напруга збiльшуеться. Це викликае пропорцiйне зменшення опору електронного ключ, тдключеного паралельно резистору Я2 ^ як наслiдок, зменшуе постiйну часу ланцюга фазового фiльтра.
ю юо юоо у; №
Рис. 5. Залежнiсть значення Я2 вiд частоти/
Як видно з рис. 5, залежнють значення Я2 вщ частоти/е лiнiйною у всьому визначеному дiапазонi. Тобто побудова схеми керування постшною часу ланцюга R2С (рис. 4) сигналом з перетворювача частота-напруга //и (рис. 2) з точки зору техшчно! реаизацп не мае ускладнень.
4. Висновки
Видiлену у роботi постiйну складову комплексного сигналу можна класифiкувати як адитивну похибку вимiрювання, викликану зовшшшм температурним впливом. В подальшому дану постшну складову можливо використовувати для корекцп як самого первинного перетворювача, так i для корекцii результалв вимiрювань взагалi. Корекцiю первинного перетворювача можливо здшснити шляхом впливу на його передатну функцш.
Так як шформатившсть первинного перетворювача характеризуеться динашчним i частотним дiапазонами, запропонований в данш роботi метод корекцп постшно! складово! е перспективним. Вiн дозволяе шдвищити точнiсть вимiрювань i розширити сферу застосування первинних перетворювачiв щодо вимог до температури середовища та шших впливiв, якi приводять до змш постiйноi складово! без впливу шформацшного параметру при проведеннi вимiрювань.
Лiтература
1. Датчики / Шарапов В. М. и др.; под ред. Шарапова В. М. Москва, 2012. 624 с.
2. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Осадчий Е. П. и др.; под ред. Осадчего Е. П. Москва, 1979. 480 с.
3. Second Ifac Workshop on Adaptive Systems in Control and Signal Processing 1986 // Adaptive Systems in Control and Signal Processing 1986. Elsevier, 1987. 454 p.
4. Dorf R. C., Bishop R. H. Modern Control Systems (13th Edition). Pearson, 2016. 1032 p.
5. Антоненко А. М., Кудзин А. Ю., Гавшин М. Г. Влияние доменной структуры на электромеханические свойства сегнетокерамики ЦТС и МНВТ // Физика твердого тела. 1997. Т. 39, № 5. С. 920-921.
6. Пьезоэлектрический датчик удара: пат. RU 2533539, МПК G01P 15/09, H01L41/083; заявл. 27.05.2013; Опубликован 20.11.2014. 9 с.
7. Kleckers T. Force sensors for strain gauge and piezoelectric crystal-based mechatronic systems- a comparison // 2012 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings. IEEE, 2012. doi: https://doi.org/10.1109/i2mtc.2012.6229515
8. Механический фильтр для пьезоакселерометра: пат. RU 2410704, МПК G01P 15/09; заявл. 02.02.2009; Опубликован 27.01.2011. 12 с.
9. Пьезоэлектрическое приборостроение / Гориш А. В. и др.; под ред. Гориш А. В. Москва,1999. 367 с.
10. Агейкин Д. И., Костина Е. Н., Кузнецов Н. Н. Датчики контроля и регулирования. Москва, 1965. 914 с.
