CC BY
15
Дагаев Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, adagaev@list.ru, Россия, Ивангород, Ивангородский гуманитарно - технический институт (филиал) Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения,
Бородянский Юрий Михайлович, канд. техн. наук, доцент, borodvanskvum@smail.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича,
Гулиев Рамиз Балахан оглы, канд. техн. наук, доцент, ramiz63@vandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет при межпарламентской ассамблее ЕврАзЭС
DETERMINA TION OF THE OPTICAL SIGNAL AT THE OUTPUT OF THE PHOTODETECTOR SYSTEM BY
DIRECT INTEGRATION
E.E. Maiorov, V.P. Pushkina, A.V. Arefiev, A.V. Dagaev, Y.M. Borodyansky, R.B. Guliyev
This article is devoted to the determination of the optical signal at the output of a photodetector system by direct integration. The analysis of the optical signal at the output of the photodetector part of any optoelectronic system or device is of fundamental importance, since the signal affects the accuracy of measurements, therefore the work is promising and relevant. The article presents the schemes: optical signal fixation, optical signal research in optical signal phase measuring systems. In this work, changes in signals for different aperture angles of the photodetector are obtained at Я = 0,6328 microns, d = 100 microns. The dynamics of the output signal amplitude is calculated when the angle between the interferometer plates of different thicknesses changes.
Key words: optical signal, direct integration method, optoelectronic system, polaroid, aperture angle, photodetector part, interferometer plates.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, majorov_ee@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Pushkina Vera Pavlovna, candidate of economic sciences, docent, veral50465@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Arefiev Alexander Vladimirovich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, aaref@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation
(GUAP),
Dagaev Alexander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, adagaev@list.ru, Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) State educational institution for higher professional education" Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation",
Borodyansky Yuriy Mihailovich, candidate of technical sciences, docent, borodvanskvum@smail. com, Russia, St. Petersburg, The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications,
Guliyev Ramiz Balihanovich, candidate of technical sciences, docent, ramiz63@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, University at the EurAsEC Interparliamentary Assembly
УДК 531.383
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-218-223
ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ВОЛНОВОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА В РЕЖИМЕ ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
М.Д. Кирсанов, А.Н. Хомячкова
Рассмотрены преимущества использования твердотельных волновых гироскопов в режиме датчика угловой скорости, принцип работы. Предложены варианты реализации электронного модуля с цифровой обработкой сигнала.
Ключевые слова: волновой твердотельный гироскоп, электронный модуль, датчик угловой скорости, цифровая обработка сигналов.
Одним из перспективных направлений в развитии гироскопии считаются волновые твердотельные гироскопы (ВТГ). Основными преимуществами ВТГ являются: малая стоимость при высоких точностных параметрах, большая надежность, способность сохранять инерциальную информацию при временных перерывах электропитания, малая чувствительность к механическим, температурным и магнитным возмущениям. Из-за отсутствия подвижных частей ВТГ обладает большим сроком службы [1].
218
Источником инерциальной информации в ВТГ является стоячая волна упругих колебаний. При этом измерения производятся в режиме свободных колебаний чувствительного элемента (ЧЭ). Вращение основания, на котором установлен ЧЭ, вызывает поворот волны на меньший, но известный, угол, т.е. упругая волна, как целое, прецессирует. Точность вычисления угла поворота (угловой скорости) зависит от точности масштабного коэффициента ВТГ. Также точность измерения выходного сигнала зависит от электронного модуля ВТГ. Однако необходимость повышения точности измерений приводит к задаче создания ВТГ с обратной связью, в котором стоячая волна за счет обратной связи удерживается в нулевом положении. Примером разработки в этой области является патент США № 6.959.600 B2 от 2.11.2015 г. ВТГ компании Marconi (Великобритания) является датчиком угловой скорости, в котором чувствительный элемент (рис. 1, а) выполнен в виде цилиндрического резонатора 2 диаметром 17 мм и длиной образующей цилиндра 24 мм, укрепленного на основании 3 с помощью ножки. На верхней кромке резонатора установлена система пьезокристаллов 1, из которых пара А-А' включена в цепь позиционного возбуждения, B-B' - в цепь измерения, а пьезокристаллы C-C' и D-D' включены в цепь обратной связи для демпфирования колебаний резонатора (рис. 1, б).
Широко- Схема
полосный ■*— синхрони-
фильтр зации фаз
Эталонная
Фазовый
детектор
а б
Рис. 1. ВТГ-ДУС компании Marconi: а - чувствительный элемент: 1 - система пьезокристаллов;
2 - резонатор; 3 - основание; б - схема подключения резонатора к внешним цепям
При вращении вибрирующего цилиндра (резонатора) вокруг оси чувствительности OZ в пьезо-кристаллах, находящихся в узлах колебаний, возникает электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна скорости вращения. Цилиндр вибрирует на основной частоте изгибной вибрации, образующей две полные длины волны по окружности цилиндра. При частоте вибрации 7400 Гц добротность резонатора равна 1500.
Затухание вибрации цилиндра, вызванное его механическими свойствами, происходит достаточно медленно, поэтому для обеспечения быстрого срабатывания необходимо использовать демпфирование. Для этого создана отрицательная обратная связь, которая компенсирует вибрацию цилиндра, вызванную вращением. Сигнал с датчиков C-C усиливается и подается на датчики D-D' с фазовым сдвигом, необходимым получения отрицательной обратной связи.
Структурная схема электронного модуля с цифровой системой обработки сигнала, изготовленного на кафедре «Приборы управления» Тульского государственного университета, представлен на рис.2.
На рис. 2 введены следующие обозначения:
Цпит, Цналог, ищфр - входное напряжение питания и напряжения питания аналоговой и цифровой части электронного модуля;
Кк, Кв, Кпу, Куз - аналоговые усилители сигналов коррекции, возбуждения, пучности и узла соответственно;
АПу, Апу_зад - текущая и заданная амплитуды сигнала пучности;
фпу, фпу_зад - текущая и заданная фазы сигнала пучности по отношения к фазе сигнала возбуждения;
Ac, Aq - амплитуды кориолисовой и квадратурной составляющей сигнала узла;
t - текущее время;
ф - текущая фаза сигнала возбуждения;
ПИа, ПИрез, ПИс, nHq - пропорционально-интегральные регуляторы контуров поддержания амплитуды сигнала пучности, резонансной частоты, формирования сигналов коррекции кориолисовой и квадратурной составляющей сигналов узла соответственно;
Авозб - текущая амплитуда сигнала возбуждения;
T - текущая температура резонатора;
/рез - текущая частота сигнала возбуждения (резонансная частота резонатора);
q - текущая амплитуда сигнала компенсации квадратурной составляющей;
О™ - текущая амплитуда сигнала подавления кориолисовой составляющей (измеренная угловая скорость вращения ВТГ);
^и1
, - скорректированное и отфильтрованное значение угловой скорости вращения ВТГ.
Блок питания
¿/аналог ^ ^£/цнфр
АНГТ
ЦАП
тс/2
Модулятор
Модулятор
Модулятор ПИл
Апу зЯд
Ю(/Ре-,0! )|]| | | | |—►
Демодулятор ф">' -
АЦП
АЦИ
, к гь^вн Т—-
Авозб
¡ПС
Демодулятор А,,
Аналоговый | 1 блок | Цифровой вычислитель
пии
ПИ,
Фильтрация и коррекция выходного сигнала
£1и1м_карр
Рис. 2. Структурная схема электронного модуля ВТГ, реализующая ДУС в компенсационном режиме
Принцип работы схемы электронного модуля ВТГ в режиме датчика угловой скорости можно описать следующим образом:
1) Формируется цифровой гармонический сигнал возбуждения заранее заданной частоты и амплитуды, затем преобразуется в аналоговый посредством ЦАП и усилителя Кв.
2) Контур стабилизации резонансной частоты. Принцип работы данного контура заключается в стабилизации максимального сигнала (резонанса) в пучности на заданной фазе (фпу_зад) резонанса. Усиленный сигнал пучности (Кпу) оцифровывается при помощи АЦП. Далее сигнал подается на демодулятор. На выходе которого формируется сигнал пропорциональный амплитуде (Апу) и фазе (фпу) пучности. Рассчитываются отклонения по отношению к заданным амплитуде (Апу_зад) и фазе (фпу_зад) резонанса. Эти отклонения подаются на ПИ-регуляторы амплитуды (ПИА) и частоты (ПИрез). Сигнал частоты умножается на время и получается текущая фаза (ф) сигнала, которая используется как опорная, относительно которой работает датчик. Сигнал амплитуды модулируется (умножается) на cosф и после цифро-аналогового преобразования усиливается при помощи усилителя (Кв), далее подается на пьезоэлементы возбуждения.
3) Контур вычисления угловой скорости. Принцип работы данного контура сводится к стабилизации нулевого сигнала в узле. Усиленный усилителем (Куз) сигнал узла оцифровывается при помощи АЦП. Далее сигнал подается на демодулятор, на выходе которого формируются сигналы синусной (ко-риолисовой) и косинусной (квадратурной) составляющих сигнала узла. По сигналу синусной составляющей, после ПИ-регулятора, формируется сигнал измеренной угловой скорости (Оизм). По сигналу косинусной составляющей, после ПИ-регулятора, формируется сигнал (д). Из сигналов ^изм и q формируется сигнал компенсации, при этом фаза сигнала Физм модулируется фазой, сдвинутой на п/2, относительно опорной фазы (ф).
Все вышеуказанное объединяют методы цифровой обработки сигналов:
1) генерация синусоиды;
2) демодуляция сигнала;
3) модуляция сигналов;
4) ПИ-регуляторы;
5) фильтрация сигнала.
Рассмотрим реализацию этих методов на примере ПЛИС.
Генерация синусоидального сигнала. В данной работе применен метод «цифра за цифрой» для вычисления таких элементарных функций (ЭФ) как синус, косинус и арктангенс. Алгоритмы данных операций подробно описаны в источнике [3]. Для вычисления sinф и cosф используется набор углов поворота:
¿-1
8г = ф \uardg 2~к
(1)
к=0
где 0; —присоединенный угол.
Синусная и косинусная составляющая в алгоритме определяются выражениями:
Ji = Im
Xi = Re
i-i
k=0 i-l
tY[(1+Rk2-k)
k=0
Тогда в соответствии с [1] двухэтапный алгоритм сводится к следующему:
- этап I
0£+i = ei-^iarctg2-i, signai = sign0j,
- этап II
У1+1 =У1-Ч12~1Хо
где i = 0, 1, 2, ..., n - 1.
Начальные условия: 0О = ф,у0 = 0,хо = 1/К, Результаты: уп = —sin(p,xn = cos ф.
Расчет функции arctg(Y/X) использует похожий набор углов:
i-l
(2)
(3)
(4)
(5)
= ^ \karctg2~
k=0
Синусная и косинусная составляющая в алгоритме определяются выражениями:
Vi = Im
X; = Re
(X+jY)Y[(1-Kk2~k)
k=0 i-l
(X+jY)Y[(1-Rk2~k)
k=0
(6)
(7)
(8)
Тогда в соответствии с [1] двухэтапный алгоритм сводится к следующему:
- этап I
Vi+i =У1-Ч12~1Хо
xi+1 = xi + ^i2~iyi, (9)
signal = signyj,
- этап II
Qi+^Qi + ^iarctg2~i. (10)
Начальные условия: у0 = Х,х0 = 1,0О = 0. Результат: 0„ = arctg(Y/X).
Демодуляция сигнала. В данной работе используется два квадратичных детектора, выделяющие синусную и косинусную составляющие входного сигнала, так как уровень входного сигнала мал.
Рассмотрим, что происходит с сигналом при использовании квадратичного детектора в случае подачи на него фазомодулированного сигнала вида:
F(t) =А0 sin(bt + ф(с)), (11)
где ф(0- фаза входного сигнала.
Представим входной сигнал как сумму синуса и косинуса по формуле синуса суммы двух углов:
F(t) = А0 sin(bt + ф(0)=Лс(£:) sin bt + As(t) cos bt, {12)
где Ac(t) = A0 cosф(t) ;As(t) = A0 sin ф(0.
После демодулирования (умножения на sin bt для кориолисовой и cosb для квадратурной составляющих) сигналы, примут вид:
C(t) = F(t) sin bt = (Ac{t) sin bt + As(t) cos bt) sin bt; (13)
S(t) = F(t) cos bt = (Ac(t) sinbt + As(t) cos bt) cos bt (14)
После элементарных преобразований сигналы C(t) и S(t) примут вид:
, ч Ac(t) Ac(t) As(t) C(t) =—-----—cos2bM---—sin2bt; (15)
2 2 "Cos2bt + - 2
As(t)MAs(t) Ac(t) . S(t) = —---I---—cos2bt H---—sin 2b.
2 ' 2 ------- 2 (16)
Таким образом, после демодуляции имеем постоянные косинусную и синусную составляющие входного сигнала и высокочастотные составляющие на частоте 2^, которые нетрудно отделить с помощью низкочастотного фильтра.
Поэтому после демодулятора, сигналы АСЮ и можно выделить с помощью фильтра
нижних частот с соответствующей полосой пропускания. Тогда выходные сигналы после фильтра примут вид:
(17)
S(t) = (18)
Также можно выделить и фазу входного сигнала по соотношению:
q>(t) = arctg^. (19)
Модуляция сигнала. Модуляция реализована в ПЛИС простым умножением сигнала на коси-нус(синус).
ПИ-регуляторы. При синтезе непрерывных систем управления наиболее широко применяются пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы, или ПИД-регуляторы. На рис. 3 изображена структурная схема непрерывного ПИД-регулятора, воздействующего на сигнал ошибки e(t).
Рис. 3. Структурная схема ПИД-регулятора
В данной работе дифференциальная составляющая равна нулю. Алгоритм описывается схемой, представленной на рис. 4.
Рис. 4. Схема алгоритма ПИ-регулятора
На входе схемы из значения фазы пучности фпу вычитается значение требуемой фазы фзад. Полученная разница Дф, сравнивается с нулем. Если Дф<0, то параметру а присваивается значение минус 1, в противоположном случае плюс 1. Далее к частоте ю (Дф) алгебраически прибавляется параметр а. Частота ю является интегральной составляющей ПИ-регулятора. Затем полученное значение ю складывается с Дф/4. Частота Дф/4 является пропорциональной составляющей ПИ-регулятора. Особенностью данного ПИ-регулятора является то, что регулирование происходит не за счет умножения на соответствующие коэффициенты Кр и Кг, а за счет изменения частоты работы. Базовая частота работы 1 МГц.
Фильтрация сигнала. Фильтр скользящего среднего наиболее распространенный фильтр в цифровой обработке сигналов. Несмотря на свою простоту, он является удобным для типичной задачи: уменьшение случайного шума при сохранении резкости ступенчатого отклика
На рис. 5 представлена схема фильтра скользящего среднего, имеющего М количество усреднений.
__М-1 раз _
Рис. 5. Схема скользящего усредняющего фильтра: I'1 - обратное; г-преобразование; Е - сумматор 222
Выводы. В данной работе была подтверждена возможность создания системы цифровой обработки сигналов для твердотельного волнового гироскопа. В результате работы были подобраны и реализованы в ПЛИС схемы основных алгоритмов цифровой обработки сигналов необходимых для функционирования твердотельного гироскопа как датчика угловой скорости.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания по теме «Развитие теории инерциальных датчиков первичной информации для навигационных систем высокоманевренных летательных аппаратов» (FEWG-2022-0002).
Список литературы
1. Распопов В.Я. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором / В.Я. Распопов, И.А. Волчихин, А.И. Волчихин, А.В. Ладонкин, В.В. Лихошерст, В.В Матвеев. Тула: Издательство ТулГУ. 2018. С. 189.
2. Байков В.Д., Смолов В.Б. Аппаратурная реализация элементарных функций в ЦВМ. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1975. 96 с.
Кирсанов Максим Дмитриевич, аспирант, ассистент, младший научный сотрудник, KirsanovMD@ya.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хомячкова Альбина Николаевна магистрант, младший научный сотрудник, khoma05_19@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DIGITAL SIGNAL PROCESSING OF A WAVE SOLID-STATE GYROSCOPE IN THE ANGULAR VELOCITY
SENSOR MODE
M.D. Kirsanov, A.N. Khomyakova
The advantages of using solid-state wave gyroscopes in the angular velocity sensor mode, the principle of operation are considered. Variants of implementation of an electronic module with digital signal processing are proposed.
Key words: wave solid-state gyroscope, electronic module, angular velocity sensor, digital signal processing.
Kirsanov Maxim Dmitrievich, postgraduate, assistant, junior researcher, KirsanovMD@ya. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khomyackova Albina Nikolaevna, postgraduate, a junior researcher, khoma05_19@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.73: 331.45
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-223-226
К ВОПРОСУ ОБ ОХРАНЕ ТРУДА НА КОВОЧНО-ШТАМПОВОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
А.А. Шишкина
Работа посвящена проблеме влияния шума на здоровье человека и пути его снижения именно на производственных предприятиях, относящихся к ковочно-штамповочному. Что обосновано высокими ударными и механическими источниками шума, которые повсеместно присутствуют на такого рода предприятиях. Поэтому данная работа является актуальной и анализ проблемы, и нахождение путей ее решения является важной и ответственной задачей. В работе анализируется производство, осуществляющее ковочные и штамповочные процессы с точки зрения образующегося шума. Приводятся и анализируются основные методы снижения воздействия шума, образующегося при эксплуатации ковочно-штамповочного оборудования (гидравлических и механических прессов, молотов). Также затрагивается вопрос о создаваемых вибрациях во время подобных производственных процессов, и в данной работе также рассматриваются пути уменьшения воздействия вибраций на человека и гашение. Приводятся основные последствия воздействия интенсивных звуковых нагрузок не только на органы слуха, но и на остальные органы человека и здоровье в целом.
Ключевые слова: оборудование, прессы, охрана труда, шумовое загрязнение, вибрации.
Шум является одним из вредных и даже опасных факторов для здоровья человека, так именно этот показатель может вызвать отрицательные последствия на здоровье, поэтому очень важно соблюдать определенные нормы шума как в повседневной бытовой жизни, так и на рабочем месте [1-4]. В данном
