Содержание

Введение…………………………………………………………………………4

1 Описание принципа действия системы обработки информации…………………………………………………………………………..6

2 Структурная схема устройства преобразования сигналов с указанием источников шумов……………………………………………………………………7

3 Расчет частотных коэффициентов каждого узла системы обработки сигналов и общего частотного коэффициента передачи………………………….8

4 Расчет спектра входного сигнала…………………………………………..11

5 Расчет спектра на выходе устройства обработки сигналов…………..…13

6 Расчет значений действующих шумов в тракте обработки сигналов…..14

7 Расчет необходимого значения сигнал/шум и порогового уровня принятия решения по заданным параметрам обнаружения дефектов…………………..…18

8 Расчет основных параметров устройства обработки сигналов по требуемому отношению сигнал/шум………………………………………..……..20

9 Расчет пороговой чувствительности………………………………………..21

10 Расчет информационного содержания сигнала на выходе устройства..22

11 Расчет коэффициента полезного действия, системы обработки информации………………………………………………………………………….23

Заключение……………………………………………………………………..24

Список использованных источников…………………………………………25

Приложение А………………………………………………………………….26

Введение

В данной курсовой работе необходимо выполнить расчет параметров тракта обработки сигналов устройства автоматического обнаружения дефектов изделий.

Контролируемым изделием является бумага. При прохождение излучения через бумагу происходят потери, которые обусловлены отражением, рассеиванием и другими потерями. Бумага пропускает около 10% падающего света, то есть его коэффициент пропускания _изд.=0,1. Основными дефектами бумаги являются разрывы. Исходя из этого, для контроля выберем схему, основанную на прохождении света через бумагу.

В качестве источника света выберем светодиод АЛ112А. Основной характеристикой светодиода является спектральная характеристика – зависимость параметров излучения от длины волны. Излучение светодиода имеет относительно высокую направленность распределения мощности в пространстве.

Средняя частота появления ложной тревоги при обнаружении дефектов в изделии N_л.т.=0.08 1/с. Вероятность правильного обнаружения дефектов Р_п.о=0,9. Вид модуляции зондирующего сигнала: механическая.

Тип электронного тракта – полосовой фильтр. Его характеристики : коэффициент усиления =60; полоса пропускания w₁= c^-1 w₂= c^-1. Механическая модуляция зондирующего сигнала. Тип нагрузочной цепи– трансформаторная: W₁=100, W₂=150.

Независимо от того, насколько эффективен излучающий диод, выходное излучение даже большой мощности не будет зарегистрировано, если длина волны излучения не соответствует спектру излучения, на который реагирует фотоприемник. То есть светодиод должен быть спектрально согласован с фотоприемником.

К основным параметрам светодиода относятся длина волны излучения λ_max, яркость L и угол излучения ΔΩ₁. Следует иметь ввиду, что λ_max – это длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности потока излучения светодиода.

Для светодиода АЛ112А:

U_пр=2 В,

I_пр=10 мА,

λ_max=0,68 мкм,

Ф_Е=10мВт,

ΔΩ₁=36˚.

В качестве приемника излучения выберем фотодиод ФД-21-КП. Фотодиод – это приемник, принцип действия которого основан на фотогальваническом эффекте и фоточувствительный элемент которого имеет структуру полупроводникового диода.

Для ФД-21-КП имеем:

диаметр фоточувствительного элемента 1,55 мм,

Δλ=0,5 мкм,

λ_max=0,72мкм,

U_р=10 В,

I_Т=0,017мкА,

S_ИНТ=0,2 ,

Т_ФП=10^-7 с.

На рисунке 1 представлены спектральные характеристики АЛ112А и ФД-21-КП.

λ нм

1 – спектральная характеристика светодиода; 2 – спектральная характеристика фотодиода

Рисунок 1 – Спектральные характеристики АЛ112А и ФД-21-КП

1 Описание принципа действия системы обработки информации

Принципиальна схема системы обработки информации представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Принципиальная схема системы обработки информации

Рисунок 2 – Принципиальная схема системы обработки информации

В данной схеме используется механическая модуляция зондирующего сигнала. Световой поток от источника света попадает на лист бумаги и проходит через него. Световой поток, который прошел через лист бумаги попадает на линзу. Линза фокусирует световой поток на фотодиод. Если на листе есть дефект, то величина прошедшего светового потока увеличивается, и выходной сигнал фотодиода соответственно также увеличивается. Сигнал с фотодиода поступает на усилитель. Сигнал, усиленный усилителем поступает на регистрирующее устройство, которое принимает решение о наличии или отсутствии дефекта в контролируемом листе бумаги. Решение, принятое решающим устройством, оператор может увидеть при помощи устройства отображения. Правильность принятого решения зависит от заданного допустимого значения вероятности правильного обнаружения P _п.о. = 0,9.

2 Структурная схема устройства преобразования сигналов с указанием источников шумов

Если на ОЭП действуют входной сигнал , имеющий спектр , и совокупность помех и шумов (внешние помехи W_ВН, шумы фотоприемника W_ФП, нагрузочной цепи W_Н и усилителя электронного тракта W_У), а приемник излучения обладает интегральной вольтовой чувствительностью , то структурную схему такого ОЭП можно представить в виде:

К_о(jω) – частотный коэффициент передачи оптической системы; К_фп(jω) – частотный коэффициент передачи фотоприемника; К_н(jω) – частотный коэффициент передачи нагрузочной цепи; К_у(jω) – частотный коэффициент передачи усилителя; S_вых(ω) – спектр выходного сигнала; х_вых(t) – выходной сигнал

Рисунок 3 – Структурная схема устройства преобразования сигналов

3 Расчет частотных коэффициентов каждого узла системы обработки

сигналов и общего частотного коэффициента передачи

3.1 Расчет частотного коэффициента передачи оптической системы

С достаточной степенью точности полагают, что , где К₀ называют коэффициентом передачи. Наиболее распространенные варианты работы ОЭП – это работа на основе изменения освещенности входного зрачка (точечный источник) и изменение яркости свечения объекта (протяженный источник). В нашем случае дефект протяженный, поэтому

(3.1)

где А_ВХ – площадь входного зрачка фотоприемника;

– угловое поле зрения;

Lc – яркость источника излучения;

– коэффициент отражения бумаги.

(3.2)

А_ВХ=

Тогда

(3.3)

3.2 Расчет частотного коэффициента передачи фотоприемника

В области малых и средних частот (f<10⁸ Гц) все фотоприемники считают с динамической точки зрения апериодическими звеньями первого порядка. В этом случае

, (3.4)

где Т_фп – постоянная времени фотоприемника;

Т_фп = с

S_инт – интегральная чувствительность по току;

S_инт = 0,2 А/Вт

Тогда

. (3.5)

3.3 Расчет частотного коэффициента передачи нагрузочной цепи

В случае использования нагрузочной цепи с трансформаторной связью частотный коэффициент передачи в области рабочих частот

, (3.6)

где ,

отсюда

и – число витков вторичной и первичной обмоток трансформатора.

3.4 Расчет частотного коэффициента передачи усилителя

В общем случае частотные передаточные коэффициенты усилительного тракта могут быть весьма сложными и зависящими от функциональной и структурной схем электронного тракта усиления и обработки.

В усилительном тракте можно выделить несколько устройств, которые присутствуют практически во всех приборах неразрушающего контроля.

Прежде всего, это оптимальный фильтр, функции которого обычно выполняет один или несколько каскадов усилителя, квазиоптимальные фильтры (избирательные усилители) и полосовые фильтры.

Усилители мощности чаще всего имеют передаточный коэффициент:

, (3.7)

где К_У – коэффициент усиления;

Ту – постоянная времени, примем Ту=10^-7 с.

Эффективная полоса пропускания

=2∙10⁷ 1/c. (3.9)

Отсюда

, (3.10)

Рассчитаем общий частотный коэффициент передачи:

(3.11)

.

График зависимости частотного коэффициента передачи представлен в приложении А.

4 Расчет спектра входного сигнала

В задании сказано, что модуляция зондирующего сигнала производится механическим способом. Примем частоту модуляции выбираем из полосы пропускания фильтра с^-1. Рассчитаем длительность зондирующего импульса.

. (4.1)

Определим период зондирующего сигнала

. (4.2)

Найдем длительность зондирующего импульса. Так как диск модулятора имеет такой вид (рисунок 4.1)

Рисунок 4.1 – Вид диска модулятора

Зная период, можно найти длительность импульсов

, (4.3)

Время контроля примем равным 3 с, найдем количество импульсов за время контроля

(4.4)

Построим модель входного сигнала во временной области (Рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 – Входной сигнал во временной области

Так как нам необходимо знать только модуль спектра сигнала на входе, мы можем воспользоваться готовой формулой для модуля спектра сигнала, представляющего собой последовательность прямоугольных импульсов/3/

, (4.5)

где А₀ – амплитуда импульсов, А₀=Ф_Е =10 ^{- 2} Вт;

_И=Т/2 – длительность импульсов;

Т – период следования импульсов;

N – количество импульсов за время контроля.

В результате получаем

(4.6)

График зависимости спектра на входе устройства представлен в приложении А.

5 Расчет спектра на выходе устройства обработки сигналов

Спектр сигнала на выходе устройства обработки рассчитывается по следующей формуле:

S_ВЫХ=К_ОЭП(jω)∙S_ВХ(ω) (5.1)

График зависимости спектра на выходе устройства представлен в приложении А.

6 Расчет значений действующих шумов в тракте обработки сигналов

Внешние помехи обычно зависят от параметров оптической системы и обусловлены как правило радиационным и фотонным шумами. Радиационные и фотонные шумы возникают вследствие статистического характера потока излучения, представляющего случайную совокупность потока квантов энергии электромагнитного поля.