1.3. Структура ссд

Структура ССД существенным образом определяет возможности проведения ЦОС. ССД состоит из системы датчиков, усилителей, противомаскировочных фильтров, электронных коммутаторов, аналого-цифровых преобразователей и устройств буферной памяти. На рис.1.3.1 схематически изобра­жён один из вариантов упрощённой конструкции ССД, цифрами отмече­ны основ­ные элемен­ты системы.

Рис. 1.3.1. Блок-схема системы сбора данных

1.3.1. Датчики CCД

Объекту управления (ОУ) в рамках ССД придаётся набор первич­ных информа­ционных преобразователей – система датчиков, назначение которых состоит в преобра­зовании фазовых координат объекта в систему электрических сигналов – выходные напряже­ния, в которых содержится информация о параметрах объекта.

Каждому датчику ставится в соответствие функция преобразования, которая связывает значение величины со значением напряженияФункции преобразования могут быть двух видов. Для статических измерений связь между фазовыми координатами и выходными напряжениями реализуется в виде линейных или нелинейных функциональных зависимостей, соответствующих случаю статических функций преобразования. Для динамических измерений связь между фазовыми координатами и выходными напряжениями реализуется в виде дифференциальных уравнений, соответствующих случаю динамических функций преобразования.

Как правило, точный вид функций преобразования почти всегда оказывается достаточно сложным; поэтому в качестве функций преобразования могут выступать их модели, приближённо описывающие связи между фазовыми координатами и выходными напряжениями. Функции преобразования или их модели используются для решения задач ЦОС.

Статические функции преобразования для датчиков устанавливают связь между входом и выходом в виде соотношений, которые являются нелинейными модельными функциями

(1.3.1)

Функции формируются на основе рассмотрения математических моделей датчиков. Функции (1.3.1) определяют вид статических характеристик датчиков.

Для реальных датчиков разработана целая система вариантов модельных функций преобразования – статических характеристик. Рассмотрим некоторые из них, наиболее часто встречающиеся в практике ЦОС. Линейная статическая характеристика для датчика в виде функции является простейшим вариантом статической связи. Статическая характеристика датчика в виде нелинейной функциив некоторых случаях может представляться графиком, изображённым на рис. 1.3.2. Условиеопределяет рабочий диапазон датчика, точкаопределяет границу области насыщения.

Рис. 1.3.2. Модельная статическая функция преобразования датчика

Описание функционирования многих типов датчиков в ряде случаев не может основываться на статических соотношениях. Благодаря наличию инерционных частей, трения и других факторов конструкций реальных датчиков между измеряемой фазовой координатой и выходным сигналом могут иметь место зависимости более сложного вида, чем статические.

Достаточно часто, когда входная измеряемая фазовая координата и выходной сигналявляются функциями времениt (иногда может быть константой), следует учитывать динамические свойства датчиков. Фукции преобразования для динамических датчиков устанавливают связи между входами и выходами в виде соотношений, которые являются модельными дифференциальными уравнениями. Указанные модельные дифференциальные уравнения формируются на основе рассмотрения математических моделей датчиков, которые базируются на уравнениях механики и электротехники.

В инженерных приложениях наиболее часто рассматриваются модельные линейные дифференциальные уравнения первого и второго порядка, соответствующие линейным динамическим датчикам и определяющие динамические функции преобразования. Для практики ЦОС целесообразно рассмотреть два наиболее часто встречающихся вида линейных дифференциальных уравнений, связывающих в динамике измеряемые фазовые координаты и выходные сигналы.

Датчикам с апериодическими функциями преобразования ставятся в соответствие модельные линейные дифференциальные уравнения первого порядка

(1.3.2)

где T – постоянная времени, обусловливающая его инерционность; – коэффициент усиления. Датчики с колебательными функциями преобразования описываются модельными линейными дифференциальными уравнениями второго порядка

(1.3.3)

Значения параметров , иопределяют динамические свойства датчиков. Сочетание параметровсоответствует колебательным функциям преобразования.

Линейным динамическим датчикам ставятся в соответствие передаточные функции. Эти характеристики позволяют производить анализ динамических свойств и погрешностей линейных динамических датчиков. Передаточные функции определяются на основе применения преобразований Лапласа для функций времени

p – комплексный параметр. Передаточные функции для линейных динамических датчиков определяют связь между входом и выходом при нулевых начальных условиях следующим образом:

.

Для апериодических и колебательных динамических измерительных преобразователей (1.3.2), (1.3.3) передаточные функции записываются в виде полиномов от переменной p:

, .

Для выраженияпредставляют собой преобразования Фурье для функций времениФункцияв этом случае для линейных динамических датчиков определяет связь входов и выходов в частотной области:

.

Функция является комплексной функцией частоты, которую можно представить в экспоненциальном виде:

где – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);– фазочастотная характеристика (ФЧХ) для линейных динамических датчиков. Функции АЧХ и ФЧХ позволяют определить амплитудные и фазовые искажения в зависимости от частоты для линейных динамических датчиков, когда эталонная величинаизменяется по гармоническому закону в соответствии с формулой

для которой заданы X – амплитуда;  – частота. Общеизвестно, что значение сигнала для линейного динамического измерительного преобразователя в установившемся режиме в этом случае также будет описываться гармонической функцией

,

где V – амплитуда измеренного сигнала;  – фазовый сдвиг между синусоидальной выходной и входной функциями. С помощью функций АЧХ и ФЧХ иможно оценивать амплитудные и фазовые искажения, вносимые динамическим измерительным преобразователем. Для заданной частоты амплитудное и фазовой искажение и между измерительным сигналом и измеряемой величиной определяются следующим образом:

.

Рассмотрим более детально конструкцию и характеристики одного из вариантов датчиков виброускорений. На рис. 1.3.3 представлен схематический чертёж электромеханической конструкции пьезоакселерометра. Действие пьезоэлектрических датчиков виброускорений основано на использовании прямого пьезоэффекта –свойства некоторых материалов (пьезоэлектриков) генерировать электрический заряд под действием приложенной к ним механической силы. Инерционный элемент 3 прикреплён к верхней грани пьезоэлемента 2, а нижняя грань пьезоэлемента прикреплена к корпусу 1, пружина 4 воздействует на верхнюю поверхность инерционного элемента. При установке датчика на исследуемом объекте эта система воспринимает его вибрацию. Выходом пьезоэлектрического датчика является напряжение снимаемое с пьезоэлемента.

Рис. 1.3.3. Схематический чертёж конструкции пьезоакселерометра

Рис. 1.3.4. Схема механической модели пьезоакселерометра

Упрощённая схема механической модели этого датчика приведена на рис. 1.3.4. Дифференциальное уравнение для смещения инерционного элемента под действием комплексной гармонической силыимеет вид

где определяют параметр массы, коэффициент демпфирования и коэффициент упругости. От данного уравнения можно перейти к дифференциальному уравнению вида

где . Положим, что установившееся решение этого дифференциального уравнения имеет видгдеX – комплексная амплитуда. После подстановки получим выражение для амплитуды

. (1.3.4)

С использованием (1.3.4) сформируем передаточную функцию , связывающую в частотной области амплитудуX с амплитудой силы F:

. (1.3.5)

Выделим в передаточной функции (1.3.5) действительную и мнимую часть

.

На основе формул для действительной и мнимой частей представим выражения для АЧХ и ФЧХрассматриваемого пьезоакселерометра:

, .

Поскольку выходное напряжение и смещениеускорениеи возбуждающая силасвязаны линейными зависимостямито передаточная функция пьезоакселерометрического датчика, связывающаяипредставится очевидным образом:

.

На рис. 1.3.5а–1.3.5б изображены АЧХ и ФЧХ передаточной функции дляи относительных частот.

Рабочий частотный диапа­зон для таких датчиков соответству­ет почти плоскому участку АЧХ; при выборе рабочего диапазона следует учитывать величину фазового запазды­вания ФЧХ. АЧХ пьезоакселерометров содержат области, примыкающие к резонансной частоте.

Перечис­лен­ные сведения по частот­ным характеристикам присущи почти всем видам датчиков практичес­ки независимо от их физической природы. Здесь не конкретизиру­ется возможный перечень типов датчиков, применяемых в системах ЦОС.

Рис. 1.3.5а. АЧХ передаточной функции пьезоакселерометра

Рис. 1.3.5б. ФЧХ передаточной функции пьезоакселерометра

1.3.2. Усилители, противомаскировочные фильтры,

электронные коммутаторы

Выходные электрические сигналы от датчиков посту­пают на входы системы широкополосных усилителей (УС) с коэффи­циен­тами усиленияназначение данных усилителей cостоит в обеспечении усиле­ния входных сигналов до стандартно­го значения:,, чаще всегоЧастот­ные характеристики передаточной функции для УС должны быть подобраны таким образом, чтобы для входного сигналав заданном частот­ном диапазоне амплитуд­ные и фазовые искаже­ния были незначительными.

На вход аналогового противомаскировочного фильтра подаётся сигнал выходной сигнал фильтра обозначается в видеНизко­частот­ные аналоговые фильтры (непро­пускающие высокие частоты) с передаточ­ными функциямиобеспе­чи­вают устранение высокочас­тотных составляющих в выходном сигналеПодобная аналоговая фильтрация необходима для согласова­ния частоты последую­щей дискретиза­ции и верхней частоты сигналаФизическое содержание процесса противо­маскиро­вочной фильтрации будет прояснено в разд. 3.4, в котором будут рассмотрены вопросы дискретизации сигналов.

Для противо­маскиро­вочного фильтра АЧХ имеет вид, изображенный на рис. 1.3.6, где параметр – частота среза фильтра, удовлетворяет условию. Как правило, для противомаскировочных фильтров их АЧХ в точке срезадолжны иметь большую крутизну. Вследствие чего в рабочей полосе частоткоэф­фициент усиления фильтра должен быть примерно равен 1, в высоко­частотной областикоэффициент усиления фильтра должен быть близок к нулю:

, ;,.

Частота среза аналогового фильтра обычно регулиру­ется в зависимости от полосы исходного сигнала (его частотных свойств) и заданной частоты дискретизации. Линии1 и 2 АЧХ на рис. 1.3.6 отличаются крутизной.

Рис. 1.3.6. АЧХ противомаскировочного фильтра

Выход противомаскировочного фильтра фактически является информационным сигналом, который далее подвергается дискретизации.

Электронный коммутатор (мультиплексор) реализует переключение измерительных каналов с частотой дискретизации T – интервал временной дискретиза­ции. На вход электронного коммутатора поступают аналоговые сигналы от противомаскировочных фильтров n – число информационных каналов ССД (по числу датчиков). На единственном выходе электронного коммутатора формируется последовательность кусочно-постоянных сигналов которая подаётся на устройство дискретизации.

Пример временной диаграм­мы работы электронного коммутатора для трёх информационных входных каналов, на которые подаются напряжения , приведён на рис. 1.3.7.

С временным шагом дискретизации T происходит запоминание на время (время коммутации) соответствующего кусочно-постоянного напряжения, которое предназначено для подачи в устройство дискретизации. Для работы электронного коммутатора должно выполняться соотношение

Рис. 1.3.7. Временная диаграмма работы электронного коммутатора

Для некоторых задач цифровой обработ­ки при многока­нальном вводе высокочастотных сигналов необхо­димо учиты­вать фазовые сдвиги для информации в дискретизо­ванных сигналах, которые вносятся при работе по предлагаемой схеме.

Следует отметить, что использование в ССД электронного коммутатора не является обязательным; его применение диктуется в ряде случаев требованием уменьшения аппаратурных затрат для снижения числа микросхем АЦП или, например, для обеспечения идентичности дискретизации по различным каналам. Вполне возможно построение ССД без электронного коммутатора с использованием в каждом канале отдельных микросхем АЦП.

1.3.3. Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) осуществляют преобразование последо­вательности кусочно-постоянных напряжений от мультиплексо­ра в последовательность цифровых кодов. Следует отметить существенные парамет­ры АЦП для формирования систем ЦОС: 1)– время преобра­зования АЦП аналогового напряженияв цифровой код; очевидно, должно выполняться неравенство2)– число разрядов цифрового кода с выхода АЦП (не считая знака); 3)– рабочий диапазон АЦП по входному напряже­нию; этот параметр устанавливается стандартным рядом значений – чаще всего1 и 5 В.

Последовательность с выхода АЦП является дискретизованной по времени и по уровню. Благодаря дискретизации по времени из непрерывного информационного сигналас шагомформируется последовательность значенийВследствие дискретности по уровню последовательностьпреобразуется с помощью функции преобразования АЦПв последовательность целых чисел

.

На рис. 1.3.8 показан график рассматриваемой нелинейной функции преобразования для5 В,. В соответствии с принятыми значениями параметров АЦП преобразуемые сигналыпредставляются целыми числами в диапазоне от 0 до 15 (без учёта знака).

Рис. 1.3.8. Функция преобразования АЦП

Дискретность по уровню вносит погрешности в информационный сигнал. Нетрудно подсчитать величину , соответ­ствующую цене одного разряда АЦП, которая позволяет ориентировочно оценить величину погрешности от дискретизации по уровню.

При работе АЦП следует обеспечивать согласование (примерное равенство) максимального значения напряжения сигнала и диапазона. Рассмотрим необходимость такого согласования. С этой целью смоделируем синусоидальный сигнал видаи двумя амплитудами,Для АЦП были выбраны параметры5 В,для которых0,33 В.

На рис. 1.3.9 помещены графики дискретизованных по уровню модельных синусоидальных сигналов, кусочно-постоянная линия с индексом 1 соответствует , линия с индексом 2 соот­ветствует. Из-за того, что во втором случае амплитуда

Рис. 1.3.9. Результаты дискретизации синусоидальных сигналов

синусоиды существенно меньше величины преобразованный синусоидальный сигнал на выходе представляет собой двухуровневую последовательность.

1.3.4. Устройства буферной памяти

На вход буферного запоминающего устройства (БЗУ) поступают данные от АЦП. БЗУ обеспечивает промежуточное хранение массивов дискретизованных данных. Для БЗУ следует отметить параметры, существен­ные при реализа­ции сбора данных: 1) – время ввода одного кода от АЦП в БЗУ;2) объем памяти БЗУ –в Кб (Мб), где б – байт. При формирова­нии конкретной системы сбора данных необходим учёт типа памяти БЗУ. При использовании микросхе­м с электродинамической памятью реализуется принуди­тель­ный режим регенерации; при отключе­нии питания в подобных БЗУ информация не сохраня­ется. При использовании в БЗУ элементов памяти электромагнит­ного типа при отключении питания информация сохраняется.

При реализации сбора дискретных данных целесообразно рассмот­реть особенности органи­зации непре­рывного сбора (режим "пинг-понг") для обеспечения сбора без пропусков наблюде­ний. Основ­ной фактор, который необхо­димо учиты­вать при организации непрерывного сбора, состоит в необходимости согласования частоты дискретиза­ции с макси­мально возмож­ной частотой ввода оцифрован­ных данных в ОЗУ или ДЗУ. Обозначим – время, затрачиваемое на откры­тие и закрытие файла;– время передачи файла изN чисел из ОЗУ в ДЗУ; – время ввода одного числа в ОЗУ, – время ввода одного кода в ОЗУ по каналу прямого доступа (с автоматической адресацией).

Первый вариант сбора в режиме "пинг-понг" реализуется на основе разбие­ния БЗУ на две переключа­ю­щиеся зоны, в каждой из которых записывается по N чисел (рис. 1.3.10а); условие непре­рывности ввода представ­ляется неравен­ством . Второй вариант органи­зации непрерыв­ного сбора осуществляется на основе канала прямого доступа (КПД) в ОЗУ и выделении програм­мным способом в ОЗУ двух переключающихся зон (массивов) поN чисел (рис. 1.3.10б); в этом случае непрерывность сбора данных обеспечи­вается при выполне­нии неравен­ства

Рис. 1.3.10а. Схема режима «пинг-понг» для БЗУ

Рис. 1.3.10б. Схема режима «пинг-понг» для ОЗУ

Список вопросов для самопроверки к гл. 1

1. Каково назначение основных элементов для структуры системы ЦОС?

2. Из каких элементов состоит ССД?

3. Какие основные элементы входят в состав конструкций пьезоэлектрических датчиков ускорений?

4. В чём состоит назначение усилителей выходных сигналов датчиков ССД?

5. В чём состоит назначение противомаскировочных фильтров?

6. Какие основные характеристики противомаскировочных фильтров существенны при построении систем ЦОС?

7. В чём состоит назначение электронных коммутаторов каналов (мультиплексоров) для ССД?

8. Какие основные характеристики мультиплексоров существенны при построении систем ЦОС?

9. В чём состоит назначение АЦП?

10. Какие основные характеристики АЦП существенны при построении систем ЦОС?

11. Каким образом разрядность и диапазон по входному напряжению АЦП влияют на точность ЦОС?

12. В чём состоит назначение БЗУ?

13. Какие основные структуры БЗУ используются в системах ЦОС?

14. Какие основные типовые алгоритмы реализуются в СОИ?