книги из ГПНТБ / Каверкин, И. Я. Анализ и синтез измерительных систем

запоминанием сигнал может быть введен в ряд анализирующих устройств или вычислительную машину для обработки.

Амплитудным анализатором определяются первые четыре мо­ мента функции плотности распределения амплитуд: математическое ожидание М 0, дисперсия D, асимметрия S, эксцесс Е, необходимые для описания микроструктур в аналитической форме.

Коррелометры обеспечивают получение авто- и взаимно-корре­ ляционных функций. Автокорреляционная функция ср (т) дает воз-

Образец (структура)

К вычислительной машине

Рис. 3-27. Структурная схема измерительной системы для распо­ знавания и анализа морфологических структур

можность выделить корреляционную шумовую ф (тш) и периоди­ ческую ф (тп) составляющие сигнала, специфичные для каждой мик­ роструктуры. Взаимно-корреляционная функция получается при сопоставлении сигнала об анализируемой структуре с сигналом от структуры, принятой в качестве эталонной, и позволяет оценить степень отличия исследуемой структуры от ее «эталона».

Гармонический анализатор позволяет выделить отдельные гар­ монические составляющие сложного спектра, что делает возмож­ ным получить (с помощью коэффициентов разложения Фурье или функции спектральной плотности) математическое описание анали­ зируемой структуры.

120

При обработке результатов измерения на вычислительной ма­ шине рассчитываются значения авто- и взаимно-корреляционных функций, функция спектральной плотности, первые четыре момента распределения амплитуд (математическое ожидание, дисперсия, асимметрия, эксцесс), а также концентрация того или иного веще­ ства, входящего в структуру.

С применением рассмотренного способа оптико-структурного анализа морфологических объектов, например гистологических препаратов (структуры различных тканей животных и человека), на основе их статистических характеристик оказываются возмож­ ными определение количества того или иного вещества в исследуе­ мых образцах, а также структурного распределения данного ве­ щества в ткани; оценка степени перераспределения с возрастом и при различных воздействиях, направленных на возврат структуры к норме.

Данный способ пригоден не только для анализа и количествен­ ной оценки самих структур (биологических, металлов и других материалов), но и для фотоизображения этих структур и сложных изображений вообще.

Другой весьма перспективной областью применения измери­ тельных систем сканирующего типа является микроэлектроника. С ее интенсивным развитием и созданием интегральных схем (ИС) со средним и высоким уровнем интеграции возникла проблема эф­ фективной организации исследований и контроля таких схем, от­ личающихся малыми габаритами, большим разнообразием типов и характеристик. Малые размеры схем, механическая недосягаемость их отдельных элементов без нарушения целостности схем оказы­ ваются определяющими аргументами при выборе методов измерения и зачастую обусловливают отказ от прямых измерений электрических параметров и переход к косвенным методам измерений или инте­ гральным оценкам характера поведения схем и их работоспособно­ сти. К числу таких методов относятся исследования рабочего со­ стояния интегральных схем по результатам измерения распреде­ ления тепловых или магнитных полей, излучаемых поверхностью схем (их отдельными участками), бесконтактными методами [2]. Изучаемый характер распределения того или иного поля по поверх­ ности объекта исследования или контроля представляет собой в этом случае единственный источник информации, позволяющий судить о свойствах и характеристиках объекта в целом, об отклонениях от заданного режима его работы и дефектах отдельных элементов, прогнозировать изменение работоспособности. Очевидно, что эф­ фективность реализации подобных методов измерения аппаратур­ ными средствами будет определяться не только степенью досто­ верности получаемых результатов, но также уровнем автоматиза­ ции процессов измерения, определяющим сокращение трудозатрат, связанных с «ручными» способами.

Принцип работы автоматических систем, предназначенных для исследования и контроля ИС косвенными методами, основан на по­

121

строчном сканировании через заданные интервалы температурного или магнитного поля, излучаемого поверхностью работающего об­ разца, и сравнении амплитудных профилей поля со стандартными («эталонными») профилями.

Структурные схемы двух вариантов систем подобного типа по­ казаны на рисунках 3-28 и 3-29. В первой схеме сканирующее уст-

роиство, в состав которого входит первичный измерительный пре­ образователь поля излучения объекта в электрический сигнал, «опрашивает» построчно поверхность объекта, работающего в за­ данном режиме. Непрерывный сигнал с выхода первичного измери­ тельного преобразователя, преобразованный, если это необходимо, в сигнал другого вида или уровня вторичным измерительным пре­ образователем, передается на одно или несколько аналоговых устройств представления информации (двухлучевой электронный осциллограф, двухканальный самопишущий прибор, светолучевой двухканальный осциллограф). На эти же устройства представления, осуществляющие воспроизведение зависимости «параметр—коор­

122

дината объекта», подается также непрерывный сигнал аналогичной зависимости, но характеризующей поведение «эталонного» образца по тем же координатам. «Эталонная» зависимость (профиль) хра­ нится в виде цифрового кода дискретных значений ординат в про­ граммном устройстве. Синхронно с работой сканирующего устрой­ ства, в соответствии с циклами «опроса», задаваемыми устройством управления, кодовые эквиваленты «эталонного» профиля считы­ ваются с программного устройства и преобразуются цифро-анало­ говым преобразователем в непрерывный сигнал, с которым осущест­ вляется сравнение сигнала объекта.

Во второй схеме (рис. 3-29) сигнал объекта, полученный так же, как и в предыдущей схеме, преобразуется в цифровой код аналогоцифровым преобразователем и передается на устройства представ­ ления зависимостей «параметр—координата объекта» с цифровым входом. Те же устройства представления воспроизводят подобные зависимости на основе цифровых кодов, соответствующих поведе­ нию «эталонных» образцов и хранящихся в программном устрой­ стве. В данном случае воспроизводимые зависимости имеют харак­ тер дискретных ординат сравниваемых сканограмм распределения поля. Синхронизация процесса сканирования, аналого-цифрового преобразования, считывания кодов с программного устройства и представление зависимостей, подлежащих сравнению и анализу, обеспечивается устройством управления.

Для большей наглядности и удобства наблюдения обе зависи­ мости, воспроизводимые на экране электроннолучевого индикатора с различной интенсивностью свечения, могут быть совмещены.

Очевидно, что на основе двух рассмотренных схем возможны и иные комбинации структурных решений, которые при сохранении метрологических характеристик позволят существенно расширить их возможности с точки зрения дополнительных удобств представ­ ления результатов и их обработки. В частности, одним из вариантов может быть структура, полученная как результат объединения обеих схем в одну, сочетающую и аналоговую и цифровую формы результатов измерения и их представления.

Следует заметить, что наличие в системе (рис. 3-29) аналогоцифрового преобразователя делает возможным применение цифро­ вых устройств обработки результатов и их регистрации в цифровой форме. Хранение результатов в цифровой форме обеспечит их по­ следующее, по окончании эксперимента, воспроизведение для це­ лей обработки. Кроме того, накопление результатов исследования серии образцов ИС одного типа, в особенности на этапах их разра­ ботки и освоения производства, позволит создать библиотеку ска­ нограмм, характерных для определенного вида дефектов и алго­ ритмизировать при серийном производстве ИС их автоматический контроль. В этом случае функции контроля будут выполнять компарирующие (аналоговые или цифровые) устройства, обеспечиваю­ щие сравнение получаемых от объекта сигналов с допускаемыми значениями и формирующие сигналы об отклонениях. При исполь­

123

зовании цифровых компараторов величина сигнала объекта, на­ ходящегося за пределами допустимых значений, может быть заре­ гистрирована в цифровой форме печатающим устройством с указа­ нием соответствующей координаты. При необходимости одновре­ менного сопоставления и анализа результатов исследований не­ скольких ИС одного типа могут быть применены соответственно несколько одноканальных сканирующих систем, организованных в единую структуру с общим устройством представления. Возможно и иное решение, обеспечивающее многоканальные измерения спо­ собом сканирования с меньшей аппаратурной насыщенностью из­ мерительных каналов, но с более развитой логической частью си­ стемы. Однако этот вариант требует специального рассмотрения и выходит за рамки данного обзора.

С и с т е м ы д л я п о в е р о ч н ы х р а б о т . Дальнейшее совершенствование современных средств электроизмерительной техники, растущие темпы их производства и применения определяют увеличение слож­ ности и трудоемкости работ по аттестации и поверке этих средств.

С переходом к средствам цифровой измерительной техники труд­ ности, связанные с отсчетом показаний, обработкой результатов измерений и их документированием, значительно сокращаются и' появляется возможность объективной автоматической поверки при­ боров. Этот вид работ сопряжен с выполнением ряда операций, к которым относятся:

формирование и выдача на поверяемый прибор для образцовых значений измеряемых величин;

съем (отсчет) показаний и определение погрешностей прибора; определение и учет влияния дополнительных, внешних факто­ ров на метрологические характеристики прибора и результаты из­

мерения; обработка результатов поверки;

документирование результатов поверки.

Структурная схема измерительной системы для автоматизации поверочных работ показана на рис. 3-30.

В схеме рис. 3-30, а представляющей собой конкретизацию ва­ рианта с каналом измерения воздействий (см. § 3-1), происходит сравнение результатов измерения образцовых сигналов So6p [А] поверяемым и образцовым прибором.

Фиксированные значения So6p [А,] формируются источником образцовых сигналов в соответствии с программой и командами устройства управления. Сравнение значений Sn. к [А] и S o6p к [А], полученных на выходе поверяемого и образцового приборов в циф­ ровой форме, выполняется цифровым устройством обработки. Этим же устройством осуществляются операции по определению в ре­ зультате обработки погрешности поверяемого прибора. Данные измерений и обработки документируются устройствами представ­ ления информации.

В схеме, приведенной на рис. 3-30, б, реализующей вариант комбинированной структуры, образцовый прибор отсутствует.

124

Сравнение результатов измерения поверяемым прибором 5 Пк [М осуществляется в устройстве обработки непосредственно с кодо­

ройстве управления или запоминающем устройстве и передаются для сравнения и обработки в устройство обработки в соответствии с принятой программой поверки. В качестве управляемого источ­ ника образцовых сигналов в этой схеме может быть применен

Рис. 3-30. Структурная схема измерительной системы для повероч­ ных работ: а — с образцовым прибором; б — с запоминающим устрой­ ством кодовых эквивалентов образцовых сигналов

цифро-аналоговый преобразователь, цифровой код S3. к [А ] на вход которого передается от ЗУ кодовых эквивалентов.

Для автоматизации поверки не одного, а нескольких приборов схемы (рис. 3-30, а и б) должны быть трансформированы. В их со­ став необходимо введение коммутаторов, подключающих последо­ вательно выходные сигналы поверяемых и образцового (в первой схеме) или только поверяемых приборов на вход общего для системы устройства обработки информации.

И з м е р и т е л ь н а я с и с т е м а д л я ч а с т о т н о г о а н а л и з а э л е к т р и ч е с к и х

с и г н а л о в [21]. Эти сигналы получаются как результат преобразо­ вания звука и вибраций, давлений, деформаций, воздушных пото­ ков и сигналов, записанных предварительно на магнитной ленте. Система находит также применение при контроле шумов в промыш­

125

ленности, в аэропортах и их окрестностях, при исследованиях спектра речи. В клинической практике с помощью системы выпол­ няются частотный анализ и контроль биений сердца пациентов с искусственным сердечным клапаном. Подобный анализ позволяет обнаружить изменение качества сердечных клапанов и состояние здоровья пациентов.

Структурная схема системы показана на рис. 3-31. Система в ми­ нимальном составе содержит третьоктавный анализатор и управ­ ляющий и индикаторный прибор.

Результаты частотного анализа выдаются в виде линейчатого спектра на экране электроннолучевой трубки, на цифровом табло,

Анализируемые

сигналы

Набор программ

Рис. 3-31. Структурная схема частотно-анализирующей измерительной системы

монтируемых в управляющем и индикаторном устройстве, и на шкале стрелочного прибора.

Автоматическая регистрация частотных спектров осуществляется самописцем уровня на бумажной ленте с градуировкой по частоте и амплитуде.

Для хранения результатов анализа в цифровой форме исполь­ зуется ленточный перфоратор. Регистрация производится в момент появления на экране трубки анализатора частотного спектра сиг­ нала, по команде оператора.

Непосредственная обработка результатов анализа в реальном масштабе времени выполняется вычислительной машиной. Резуль­ таты обработки в свою очередь печатаются и перфорируются с по­ мощью телетайпа. Телетайп, имеющий клавиатурное наборное поле, применяется также для управления вычислительной машиной и всей системой.

Данные обработки могут быть зарегистрированы не только те­ летайпом, но и ленточным перфоратором, обладающим по сравне­ нию с телетайпом существенно большей (в семь раз) скоростью.

126

Анализатор системы имеет 33 параллельных канала с третьоктавными фильтрами со средними частотами от 22,5 гц до 20 кгц. В стандартном варианте анализатора три свободных канала могут быть использованы для подключения дополнительных фильтров с целью расширения верхней или нижней части частотного диапа­ зона.

Показ полного спектра на экране обновляется каждые 21 мсек. Цифровой индикатор дает значение составляющей спектра в выб­ ранном канале. Значение той же составляющей изображается на спектре стробом.

Врежиме контроля спектра шума или вибрации осуществляется сравнение результатов частотного анализа с эталонными частот­ ными спектрами, источником которых является генератор частот­ ного спектра (на схеме рис. 3-31 не показан).

Вслучае превышения уровня эталонного спектра той или иной составляющей контролируемого спектра яркость соответствующих этим составляющим стробов на экране трубки увеличивается по сравнению со стробами, уровни которых находятся в допустимых пределах. Для большей наглядности одновременно с контролируе­ мым спектром на экране может быть показан и эталонный спектр. Это дает возможность оценивать по отношению к эталонному спектру величины всех частотных составляющих контролируемого спектра, а не только тех, которые превысили допустимый уровень.

Преобразование аналоговых величин, получаемых, при анализе,

вцифровую форму (параллельный двоично-десятичный код 8—4— —2— 1) выполняется аналого-цифровым преобразователем, встро­

енным в устройство управления и индикации. Скорость считывания результатов преобразования зависит от быстродействия устройств, воспринимающих информацию в цифровой форме (вычислительная машина, телетайп, перфоратор). Минимальное время считывания не превышает 2,15 мсек.

Самописец уровня обеспечивает регистрацию напряжений по­ стоянного и переменного тока и имеет два линейных и четыре ло­ гарифмических диапазона; предусмотрено 12 различных скоростей движения бумажной ленты.

В случае регистрации напряжения переменного тока самописец подключается непосредственно к выходу соответствующего филь­ тра анализатора.

Скорость работы телетайпа, перфоратора и устройства считы­ вания с перфоленты составляет соответственно 10, 75 и 125 зн./сек. Вычислительная машина имеет память на сердечниках, равную 4096 16-разрядных слов.

Обмен информацией осуществляется по команде запроса данных, поступающих в анализатор от машины. По этому сигналу выпол­ няется аналого-цифровое преобразование, которое занимает при­ мерно 30 мсек. По окончании преобразования анализатор выдает сигнал готовности информации к передаче в машину. После считы­ вания данных приемник информации передает в анализатор сигнал

127

о приеме данных. Этот же сигнал выполняет роль команды для под­ ключения ко входу аналого-цифрового преобразователя следую­ щего канала анализатора и т. д.

Сопряжение анализатора с другими приемниками цифровой информации обеспечивается с помощью устройств связи (согласую­ щих устройств). Назначение этих устройств —- преобразование выходного кода анализатора в слова необходимого формата (длины).

К особенностям системы следует отнести сочетание развитой аналоговой ее части (анализатор, самописец, стрелочный прибор) и аналогового индикатора с цифровыми устройствами представле­ ния информации (цифровой индикатор, телетайп), ее обработки и хранения (перфоратор, телетайп).

Г Л А В А Ч Е Т В Е Р Т А Я

АГРЕГАТНЫЙ КОМПЛЕКС СРЕДСТВ

э л е к т р о и з м е р и т е л ь н о й т е х н и к и

4-1. Основные принципы построения

Анализ современного состояния и развития электроизмеритель­ ной техники показывает, что она располагает достаточно мощным и развитым арсеналом средств измерения электрических и магнит­ ных величин, параметров электрических цепей, электрофизических свойств веществ и материалов. Однако до недавнего времени при разработке большинства этих средств не предусматривалось сов­ местное их использование в составе других средств, более сложных по своей структуре и организации. Это ограничивало их примене­ ние в виде только отдельных, автономных приборов, предназначен­ ных для измерения одной величины или небольшой группы, как правило, однородных электрических (магнитных) величин.

Метод индивидуального проектирования получил преимущест­ венное распространение и при создании измерительных информа­ ционных систем. Такие системы строятся применительно к обслу­ живанию определенных объектов или решению конкретных задач. Подобная практика проектирования существенно затрудняет бо­ лее гибкое и широкое использование систем для других целей. Из­ менение требований к системам данного вида, даже если они и не принципиального свойства, приводит обычно к необходимости раз­ работок новых моделей. Если учесть, что круг задач, решение ко­ торых становится возможным с применением ИИС, безграничен, то частный подход к их решению может, в свою очередь, привести к созданию столь же неограниченного числа моделей систем и функ­ циональных средств, используемых при их построении. Отсутст­ вие ограничений, накладываемых на номенклатуру этих средств, несомненно окажется причиной серьезного усложнения организа­ ции производства; увеличения продолжительности разработки и

128

промышленного освоения; значительного удорожания как самих функциональных средств, так и систем на их основе. Более того, по существу, исключается возможность синтеза ИИС, требующих всякий раз в процессе своего проектирования создания новой тех­ нической базы.

С точки зрения экономических и технических показателей не имеет сколь-нибудь существенных преимуществ и метод проектиро­ вания ИИС, предусматривающий создание универсальных моделей систем, отличающихся повышенной функциональной и аппаратур­ ной избыточностью. В то же время рассмотрение основных структур (гл. 3) и большого числа моделей ИИС отечественного и зарубеж­ ного производства позволяет установить не только определенную общность средств, применяемых в составе систем (на уровне функ­ циональных устройств), но также и ограниченность их перечня по функциональному назначению. Это создает объективные предпо­ сылки совершенно иного подхода к проектированию и организа­ ции последующего промышленного производства систем, основу реализации которых составляет агрегатный комплекс средств элек­ троизмерительной техники (АСЭТ). АСЭТ представляет собой со­ вокупность технических средств электроизмерительной техники, характеризующуюся метрологической, информационной, конструк­ тивной и эксплуатационной совместимостью этих средств, обеспе­ чивающих автоматизацию измерений в промышленности и науч­ ных исследованиях и предназначенных для построения на их ос­ нове измерительных информационных систем; применения в со­ ставе информационных систем, построенных на основе средств дру­ гих агрегатных комплексов; использования в виде автономных приборов и устройств.

Общий подход к построению агрегатного комплекса кратко сводится к следующему:

1.Устанавливается совокупность измерительных задач, реше­ ние которых должно производиться на основе применения измери­ тельных или иных информационных систем, использующих для своего построения средства электроизмерительной техники.

2.Разрабатывается совокупность структур систем (на уровне функциональных устройств), отражающих алгоритмы решения измерительных задач, анализируется общность применяемых функ­ циональных устройств и их перечень.

3.Определяется структура и состав средств агрегатного ком­ плекса, необходимых для построения ИИС различных типов и на­ значений.

Конкретизируя определение АСЭТ и положения общего под­

хода к его созданию, рассмотрим наиболее важные принципы, составляющие основу практической реализации комплекса (рис. 4-1):

1. Функциональная полнота агрегатного комплекса, характе­ ризующая его количественную, качественную стороны и достаточ­ ность набора средств для построения ИИС, различных по назна­ чению.

129