Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Содержание
1. Введение…………………………………………………………………3
2. Основы виброметрии…………………………………………………..4
2.1. Простейшее гармоническое колебание………………………………………………….4
2.2. Динамика механических систем…………………………………………..………..……7
2.3. Измерения амплитуды вибрации…………………………………………………………8
2.4. Фаза вибрации……………………………………………………………………………..…9
3. Единицы измерения вибрации……………………………………...11
3.1. Краткая справка по единицам измерения амплитуды………………………….…12
3.2. Смещение, скорость и ускорение………………………………………………………12
3.3. Сложная вибрация…………………………………………………………..……………13.
3.4. Собственные частоты…………………………………………………….……………14
3.5. Резонанс………………………………………………………………………….…………16
3.6. Тест-удар……………………………………………………………………..……………19
3.7. Частотный анализ…………………………………………………………….…………20
3.8. Примеры временных реализаций и их спектров……………………………………21
3.9. Биения………………………………………………………………………………………26
4. Лазерная виброметрия………………………………………………28.
4.1. Оптическая схема лазерного виброметра…………………………………………..32
4.2. Электрическая схема лазерного виброметра…………………..…………………..36
5. Технико-экономическое обоснование……………………..………38
6. Разработка структурной схемы устройства………………………43
6.1. Лазер………………………………………………………………………………………….46
6.2. Фотодиоды………………………………………………………………………………….47
7. Разработка функциональной схемы устройства…………………49
7.1. Преобразователь ток/напряжение для фотодиодов………………………………49
7.2. Пиковый детектор………………………………………………………………..……….52
7.3. Структурная схема измерительной части устройства……………….…………53
7.4. Устройство автоматического выбора частоты дискретизации………………54
7.4.1. Принцип работы устройства……………………………………..…………56
7.4.2. Реализация устройства……………………………………………….……….58
8.Разработка модуля расчета поправок по температуре……...……60
8.1. Контактные технологии термометрии………………………………………..……60
8.2. Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротивления)……..…61
8.3. Модуль для измерения температуры среды и объекта измерений……..……….64
8.4. Элементная база…………………………………………………………………..………68
9. Элементная база………………………………………………………78
9.1. Генератор опорной частоты……………………………………………..….………….79
9.2. Микроконтроллер MSP430F147……………………………………………..………….79
9.2.1. Архитектура…………………………………………………………..…………80
9.2.2. Гибкая система тактирования……………………………….……………..81
9.2.3. Адресное пространство………………………………………….……………81
9.3. Последовательный интерфейс RS-232……………………………………...…………84
9.4. Компараторы…………………………………………………………………….…………87
9.5. Дифференциальный усилитель………………………………………………..…………89
9.6. Счетверенный операционный усилитель AD8044……………………………...……91
10. Заключение…………………………………………………….………93
11. Список использованной литературы………………………………94
1. Введение.
Цель данного курсового проекта – разработка адаптивного лазерного интерферометрического измерителя вибраций. Данный прибор предназначен для исследования параметров механических колебаний различных объектов, но его главное отличие состоит в том, что он использует принцип интерференции света. Это позволяет добиться высочайшей чувствительности – порядка длины волны используемого лазера, т.е. в диапазоне 440-905 нм.
Естественно разрабатываемый прибор должен быть цифровым, поскольку это диктуется не только общей тенденцией «оцифровывания» средств измерений, но и самим принципом работы устройства, основанном на счете минимумов и максимумов интерференции.
Крайне важно обеспечить заданную чувствительность (порядка длины волны лазера) за счет высокоточного исполнения оптических деталей, помехозащищенности электронных компонентов, а также коррекции ошибок от различных влияющих факторов (неинформативные вибрации опоры интерферометра, колебания температуры и влажности воздуха, атмосферного давления). Это позволит добиться величины погрешности квантования средства измерения как раз в пределах длины волны лазерного излучения.
Также, в разрабатываемых в настоящее время средствах измерения, наблюдается тенденция к интеллектуализации, т.е. прибор сам анализирует исследуемый объект и оптимизирует свои параметры для обеспечения требуемой точности, сокращения избыточности информации, расширения полосы пропускания. Это позволяет не только получить максимум информации об объекте имеющимися средствами, но и значительно упростить работу исследователя, сократить время, необходимое для анализа и интерпретации результатов.
Разрабатываемый прибор я предполагаю сделать адаптивным по частоте дискретизации, поскольку это позволит не только более рационально использовать пространство памяти, но и в определенной степени увеличит помехозащищенность устройства, т.к. ограничение частоты дискретизации работает как ФНЧ
Данный прибор, в силу свой высокой точности, может применяться не только для исследования различных объектов, но и для калибровки других, менее точных средств измерения.
2. Основы виброметрии.
Вибрация - это механические колебания тела. Самый простой вид вибрации - это колебание или повторяющееся движение объекта около положения равновесия. Этот тип вибрации называется общей вибрацией, потому что тело перемещается как единое целое и все его части имеют одинаковую по величине и направлению скорость. Положением равновесия называют такое положение, в котором тело находится в состоянии покоя или положение которое оно займет, если сумма действующих на него сил равна нулю.
Колебательное движение твердого тела может быть полностью описано в виде комбинации шести простейших типов движения: поступательного в трех взаимно перпендикулярных направлениях (х, у, z в декартовых координатах) и вращательного относительно трех взаимно перпендикулярных осей (Ох, Оу, Оz). Любое сложное перемещение тела можно разложить на эти шесть составляющих. Поэтому о таких телах говорят, что они имеют шесть степеней свободы.
Например, корабль может перемещаться в направлении оси "корма-нос" (прямо по курсу), подниматься и опускаться вверх-вниз, двигаться в направления оси правый борт-левый- борт, а также вращаться относительно вертикальной оси и испытывать бортовую и килевую качку.
Представим себе некий объект, перемещения которого ограничены одним направлением, например, маятник настенных часов. Такая система называется системой с одной степенью свободы, т.к. положение маятника в любой момент времени может быть определено одним параметром - углом в точке закрепления. Другим примером системы с одной степенью свободы является лифт, который может перемещаться только вверх и вниз вдоль ствола шахты.
Вибрация тела всегда вызывается какими-то силами возбуждения. Эти силы могут быть приложены к объекту извне или возникать внутри него самого. Далее мы увидим, что вибрация конкретного объекта полностью определяется силой возбуждения, ее направлением и частотой. Именно по этой причине вибрационный анализ позволяет выявить силы возбуждения при работе машины. Эти силы зависят от состояния машины, и знание их характеристик и законов взаимодействия позволяет диагностировать дефекты последней.
2.1. Простейшее гармоническое колебание
Самыми простыми из существующих в природе колебательных движений являются упругие прямолинейные колебания тела на пружине (рис.1).
Рис. 1. Пример простейшего колебания.
Такая механическая система обладает одной степенью свободы. Если отвести тело на некоторое расстояние от положения равновесия и отпустить, то пружина вернет его в точку равновесия. Однако тело приобретет при этом определенную кинетическую энергию, проскочит точку равновесия и деформирует пружину в противоположном направлении. После этого скорость тела начнет уменьшаться, пока оно не остановится в другой крайней позиции, откуда сжатая или растянутая пружина опять начнет возвращать тело назад в положение равновесия. Такой процесс будет повторяться вновь и вновь, при этом происходит непрерывное перетекание энергии от тела (кинетическая энергия) к пружине (потенциальная энергия) и обратно.
На рис.1 представлен также график зависимости перемещения тела от времени. Если бы в системе отсутствовало трение, то эти колебания продолжались бы непрерывно и бесконечно долго с постоянными амплитудой и частотой. В реальных механических системах такие идеальные гармонические движения не встречаются. Любая реальная система обладает трением, которое приводит к постепенному затуханию амплитуды и превращает энергию колебаний в тепло. Простейшее гармоническое перемещение описывается следующими параметрами:
Т - период колебаний.
F - частота колебаний, = 1/Т.
Период - это интервал времени, который необходим для завершения одного цикла колебания, то есть это время между двумя последовательными моментами пересечения нулевой точки в одном направлении. В зависимости от быстроты колебаний, период измеряют в секундах или миллисекундах.
Частота колебаний - величина обратная периоду, определяет количество циклов колебания за период, она измеряется в герцах (1Гц= 1/секунду). Когда рассматриваются вращающиеся машины, то частота основного колебания соответствует частоте вращения, которая измеряется в об/мин (1/мин) и определяется как:
= F х 60,
где F- частота в Гц,
т.к. в минуте 60 секунд.
Уравнения колебаний
Если по вертикальной оси графика отложить положение (смещение) объекта, испытывающего простые гармонические колебания, а по горизонтальной шкале- время (см. рис.1), то результатом будет синусоида, описываемая уравнением:
,
где d-мгновенное смещение;
D-максимальное смещение;
- угловая (циклическая) частота,
Это та самая синусоидальная кривая, которая всем хорошо известна из тригонометрии. Ее можно считать простейшей и основной временной реализацией вибрации. В математике функция синуса описывает зависимость отношения катета к гипотенузе от величины противолежащего угла. Синусоидальная кривая при таком подходе является просто графиком синуса в зависимости от величины угла. В теории вибраций синусоидальная волна также является функцией времени, однако один цикл колебания иногда рассматривают также как изменение фазы на 360 градусов. Об этом мы еще поговорим подробнее при рассмотрении понятия фазы.
Упомянутая выше скорость движения определяет быстроту изменения положения тела. Скорость (или быстрота) изменения некоторой величины относительно времени, как известно из математики, определяется производной по времени:
),
где - мгновенная скорость.
Из этой формулы видно, что скорость при гармоническом колебании также ведет себя по синусоидальному закону, однако, вследствие дифференцирования, скорость сдвинута по фазе на 90 (то есть на четверть цикла) относительно смещения.
Ускорение - это скорость изменения скорости:
где а - мгновенное ускорение.
Следует отметить, что ускорение сдвинуто по фазе еще на 90 градусов, на что указывает отрицательный синус (то есть на 180 градусов относительно смещения).
Из приведенных уравнений видно, что скорость пропорциональна смещению, умноженному на частоту, а ускорение - смещению, умноженному на квадрат частоты.
Это означает, что большие смещения на высоких частотах должны сопровождаться очень большими скоростями и чрезвычайно большими ускорениями. Например, вибрирующий объект, который испытывает смещение 1 мм с частотой 100 Гц. Максимальная скорость такого колебания будет равна смещению, умноженному на частоту:
=1 х 100 =100 мм с
Ускорение равно смещению, умноженному на квадрат частоты, или
а = 1 х (100)2 = 10000 мм с2 = 10 м с2
Ускорение свободного падения g равно 9,81м/ с2. Поэтому в единицах g полученное выше ускорение приблизительно равно
10/9,811 g
Теперь посмотрим, что произойдет, если мы увеличим частоту до 1000 Гц
а = 1 x (1000)2 = 1000000 мм /с2 = 1000 м/ с2 = 100 g
Таким образом, мы видим, что высокие частоты не могут сопровождаться большими смещениями, поскольку возникающие огромные ускорения вызовут разрушение системы.
2.2. Динамика механических систем
Небольшое компактное тело, например кусочек мрамора, можно представить как простую материальную точку. Если приложить к ней внешнюю силу, она придет в движение, которое определяется законами Ньютона. В упрощенном виде, законы Ньютона гласят, что покоящееся тело будет оставаться в покое, если на него не действует внешняя сила. Если же к материальной точке приложена внешняя сила, то она придет в движение с ускорением, пропорциональным этой силе.
Большинство механических систем является более сложными, чем простая материальная точка, и они совсем не обязательно будут перемещаться под воздействием силы как единое целое. Роторные машины не являются абсолютно твердыми и отдельные их узлы имеют различные жесткости. Как мы увидим далее, их реакция на внешнее воздействие зависит от природы самого воздействия и от динамических характеристик механической конструкции, причем эту реакцию очень тяжело предсказать. Проблемы моделирования и предсказания реакции конструкций на известное внешнее воздействие решаются с помощью метода конечных элементов (МКЭ) и модального анализа. Здесь мы не будем подробно останавливаться на них, так как они достаточно сложны, однако для понимания сущности вибрационного анализа машин полезно рассмотреть, как взаимодействуют между собой силы и конструкции.
2.3. Измерения амплитуды вибрации
Для описания и измерения механических вибраций используются следующие понятия:
- максимальная Амплитуда (Пик) - это максимальное отклонение от нулевой точки, или от положения равновесия.
- размах (Пик-Пик) - это разница между положительным и отрицательным пиками. Для синусоидального колебания размах в точности равен удвоенной пиковой амплитуде, так как временная реализация в этом случае симметрична. Однако, как мы скоро увидим, в общем случае это неверно.
Рис. 2. Графическая иллюстрация характеристик амплитуды.
Среднеквадратическое значение амплитуды (СКЗ) равно квадратному корню из среднего квадрата амплитуды колебания. Для синусоидальной волны СКЗ в 1,41 раза меньше пикового значение, однако такое соотношение справедливо только для данного случая.
СКЗ является важной характеристикой амплитуды вибрации. Для ее расчета необходимо возвести в квадрат мгновенные значения амплитуды колебаний и усреднить получившиеся величины по времени. Для получения правильного значения, интервал усреднения должен быть не меньше одного периода колебания. После этого извлекается квадратный корень и получается СКЗ.
Рис.3. Графическая иллюстрация понятия СКЗ.
СКЗ должно применяться во всех расчетах, относящихся к мощности и энергии колебания. Например, сеть переменного тока 117В (речь идет о северо-американском стандарте). 117 В - это среднеквадратичное значение напряжения, которое применяется для расчета мощности (Вт), потребляемой включенными в сеть приборами. Напомним еще раз, что для синусоидального сигнала (и только для него) среднеквадратичная амплитуда равна 0,707 х пик.
2.4. Фаза вибрации
Фаза есть мера относительного сдвига во времени двух синусоидальных колебаний. Хотя по своей природе фаза является временной разностью, ее почти всегда измеряют в угловых единицах (градусах или радианах), которые представляют собой доли цикла колебания и, следовательно, не зависят от точного значения его периода.
|
Рис.4. Графическая иллюстрация фазы. Задержка 1/4 периода = сдвигу по фазе на 90 градусов |
Разность фаз двух колебаний часто называют сдвигом фазы. Сдвиг фазы в 360 градусов представляет собой временную задержку на один цикл, или на один период, что, по существу, означает полную синхронность колебаний. Разность фаз в 90 градусов соответствует сдвигу колебаний на 1/4 цикла друг относительно друга и т.д. Сдвиг фазы может быть положительным либо отрицательным, то есть одна временная реализация может отставать от другой или, наоборот, опережать ее.
Фазу можно также измерять по отношению к конкретному моменту времени. Примером этого является фаза дисбалансовой компоненты ротора (тяжелого места), взятая относительно положения какой-то его фиксированной точки. Для измерения этой величины необходимо сформировать прямоугольный импульс, соответствующий определенной опорной точке на валу. Этот импульс может генерироваться тахометром или любым другим магнитным или оптическим датчиком, чувствительным к геометрическим или световым неоднородностям на роторе, и называется иногда тахоимпульсом. Измеряя задержку (опережение) между циклической последовательностью тахоимпульсов и вибрацией, вызванной дисбалансом, мы тем самым определяем и их фазовый угол.
Фазовый угол может измеряться относительно опорной точки как в направлении вращения, так и в направлении, противоположном вращению, т.е. либо как фазовая задержка, либо как фазовое опережение. Различные производители оборудования используют как тот, так и другой подходы.
3. Единицы измерения вибрации
До сих пор мы рассматривали вибросмещение как меру амплитуды вибрации. Вибросмещение равно расстоянию от точки отсчета, или от положения равновесия. Помимо колебаний по координате (смещение), вибрирующий объект испытывает также колебания скорости и ускорения. Скорость представляет собой быстроту изменения координаты и обычно измеряется в м/с. Ускорение есть скорость изменения скорости и обычно измеряется в м/с2 или в единицах g (ускорение свободного падения).
Как мы уже видели, графиком смещения тела, испытывающего гармонические колебания, является синусоида. Мы показали также, что и виброскорость в этом случае подчиняется синусоидальному закону. Когда смещение максимально, скорость равна нулю, так как в этом положении происходит изменение направления движения тела. Отсюда следует, что временная реализация скорости будет сдвинута по фазе на 90 градусов влево относительно временной реализации смещения. Другими словами, скорость опережают по фазе смещение на 90 градусов.
Вспомнив, что ускорение - это скорость изменения скорости, легко, по аналогии с предыдущим, понять, что ускорение объекта, испытывающего гармонического колебания, также синусоидально и равно нулю, когда скорость максимальна. И наоборот, когда скорость равна нулю, ускорение максимально (скорость изменяется наиболее быстро в этот момент). Таким образом, ускорение опережает по фазе скорость на 90 градусов. Эти соотношения приведены на рисунке.
Существует еще один вибрационный параметр, а именно, быстрота изменения ускорения, называемая резкостью (jerk).
Резкость - это то внезапное прекращение замедления в момент остановки, которое вы ощущаете, когда тормозите на автомобиле, не отпуская педаль тормоза. В измерении этой величины заинтересованы, например, производители лифтов, потому что пассажиры лифтов чувствительны именно к изменению ускорения.
3.1. Краткая справка по единицам измерения амплитуды
В англоязычных странах вибросмещение обычно измеряют в миллидюймах (1/1000 дюйма; 1 дюйм = 2,54 см), и по традиции применяют значение "peak-to-peak" (размах). В европейских странах принята международная система единиц и вибросмещение измеряют в микрометрах (мкм).
Виброскорость обычно измеряют в м/с или в мм/с, в англоязычных странах - дюйм/с (ips). При измерении виброскорости используются как СКЗ, так и пиковое значения. В некоторых странах, например, в США, в силу давней традиции, пиковое значение является более употребительным.
Виброускорение обычно измеряют в единицах g СКЗ (g - ускорение свободного падения). В действительности g не является системной единицей - это просто то ускорение, которое мы испытываем, находясь на Земле. Стандартными единицами измерения ускорения являются м/с2, а в англоязычных странах - дюйм/c2. 1g=9.81м/с2.
Процесс преобразования смещения в скорость или скорости в ускорение эквивалентен математической операции дифференцирования. Обратное преобразование ускорения в скорость и скорости в смещение является интегрированием. Сегодня можно проводить эти операции внутри самих измерительных приборов и легко переходить от параметров измерения к другим.
На практике, однако, дифференцирование приводит к росту шумовой составляющей сигнала, и поэтому оно редко применяется. Интегрирование, напротив, может быть осуществлено с высокой точностью с помощью простых электрических цепей. Это является одной из причин, почему акселерометры сегодня стали основными датчиками вибрации: их выходной сигнал можно легко подвергнуть однократному или двухкратному интегрированию и получить либо скорость, либо смещение. Интегрирование, однако, непригодно для сигналов с очень низкой частотой (ниже 1 Гц), так как в этой области уровни паразитного шума чрезвычайно увеличиваются и точность интегрирования падает. Большинство имеющихся на рынке интеграторов правильно работают на частотах выше 1 Гц, что достаточно почти для всех приложений, связанных с вибрациями.
3.2. Смещение, скорость и ускорение.
Как отмечалось выше, вибрационный сигнал смещения на определенной частоте может быть преобразован в скорость посредством дифференцирования. Дифференцирование сопровождается умножением амплитуды на частоту, поэтому амплитуда виброскорости на определенной частоте пропорциональна смещению, умноженному на эту частоту. При фиксированном смещении, скорость будет удваиваться с удвоением частоты, а если частота увеличится в десять раз, то и скорость умножится на десять.
Чтобы получить из скорости ускорение, необходимо еще одно дифференцирование, а, значит, и еще одно умножение на частоту. Поэтому, ускорение при фиксированном смещении будет пропорционально квадрату частоты.
Проиллюстрируем это на следующем примере: вы без труда можете махать рукой, отводя ее вперед и назад на 30 см, делая один цикл в одну секунду, т.е. с частотой 1 Гц. Вероятно, вы сможете осуществлять движения с такой амплитудой в 5 или 6 раз быстрее, то есть с частотой 5-6 Гц. Однако представьте себе, насколько быстро должна двигаться ваша рука, чтобы проходить туда и обратно то же самое расстояние с частотой 100 Гц или 1000 Гц.
А теперь представьте себе, какую силу вам придется приложить для этого. По второму закону Ньютона, сила равна массе, умноженной на ускорение. Поэтому при заданном смещении сила также пропорциональна квадрату частоты. Именно по этой причине мы никогда не сталкиваемся с процессами, где большие ускорения сопровождаются большими смещениями. На практике просто не существует таких огромных сил, которые требуются для этого, а если бы они нашлись, то были бы крайне разрушительны.
Исходя из этих простых рассуждений, легко понять, что одни и те же вибрационные данные, представленные в виде графиков смещения, скорости или ускорения будут выглядеть по-разному. На графике смещения будет усилена низкочастотная область, а на графике ускорения - высокочастотная при ослаблении низкочастотной.
Величины смещения, скорости и ускорения в стандартных международных единицах связаны следующими уравнениями:
На приведенном рисунке один и тот же вибрационный сигнал представлен в виде виброперемещения, виброскорости и виброускорения.
Рис. 5. Представление одного вибрационного сигнала различными параметрами.
Обратите внимание, что график смещения очень трудно анализировать на высоких частотах, зато высокие частоты хорошо видны на графике ускорения. Кривая скорости наиболее равномерно по частоте среди этих трех. Это типично для большинства роторных машин, однако в некоторых ситуациях самыми равномерными являются кривые смещения или ускорения. Лучше всего выбирать такие единицы измерения, для которых частотная кривая выглядит наиболее плоской: тем самым обеспечивается максимум визуальной информации для наблюдателя. Для диагностики машин наиболее часто применяет виброскорость.
3.3. Сложная вибрация
Вибрация есть движение, вызванное колебательной силой. У линейной механической системы частота вибрации совпадает с частотой возбуждающей силы. Если в системе одновременно действуют несколько возбуждающих сил с разными частотами, то результирующая вибрация будет суммой вибраций на каждой частоте. При этих условиях результирующая временная реализация колебания уже не будет синусоидальной и может оказаться очень сложной.
На данном рисунке высоко- и низкочастотная вибрации накладываются друг на друга и образуют сложную временную реализацию. В простых случаях, подобных этому, достаточно легко определить частоты и амплитуды отдельных компонент, анализируя форму временного графика (временную реализацию) сигнала, однако большинство вибрационных сигналов значительно сложнее, и их гораздо труднее интерпретировать. Для типичной роторной машины часто весьма сложно извлечь необходимую информацию о ее внутреннем состоянии и работе, изучая лишь временные реализации вибрации, хотя в некоторых случаях анализ последних является достаточно мощным инструментом, о чем мы поговорим далее в разделе о мониторинге вибраций машин.
Рис. 6. Сложные вибрации.
3.3. Энергия и мощность
Для возбуждения вибрации необходимо затратить энергию. В случае вибрации машин эта энергия генерируется двигателем самой машины. Таким источником энергии может быть сеть переменного тока, двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина и т.д. В физике энергия определяется как способность совершать работу, а механическая работа есть произведение силы на расстояние, на котором действовала эта сила. Единица измерения энергии и работы в международной системе (СИ) - Джоуль. Один Джоуль эквивалентен силе в один Ньютон, действующей на расстоянии в один метр.
Доля энергии машины, приходящаяся на вибрацию, обычно не очень велика, по сравнению с полной энергией, необходимой для работы машины.
Мощность есть работа, выполняемая в единицу времени, или энергия, затрачиваемая в единицу времени. В системе СИ мощность измеряется в Ваттах, или в Джоулях в секунду. Мощность в одну лошадиную силу эквивалентна 746 Ваттам. Мощность вибрации пропорциональна квадрату амплитуды колебаний (аналогично, электрическая мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока).
В соответствии с законом сохранения энергии, энергия не может возникать из ничего или исчезать в никуда: она переходит из одной формы в другую. Энергия вибраций механической системы постепенно диссипирует (то есть переходит) в тепло.
При анализе вибрации более или менее сложного механизма полезно рассмотреть источники вибрационной энергии и пути, по которым эта энергия передается внутри машины. Энергия всегда движется от источника вибрации к поглотителю, в котором она превращается в тепло. Иногда этот путь может быть очень коротким, однако в других ситуациях энергия может пропутешествовать на большие расстояния, прежде чем поглотится.
Важнейшим поглотителем энергии машины является трение. Различают трение скольжения и вязкое трение. Трение скольжение возникает вследствие относительного перемещения различных частей машины друг относительно друга. Вязкое трение создается, например, пленкой масляной смазки в подшипнике скольжения. Если трение внутри машины мало, то ее вибрация обычно велика, т.к. из-за отсутствия поглощения энергия вибраций накапливается. Например, машины с подшипниками качения, называемыми иногда антифрикционными, обычно вибрируют сильнее, чем машины с подшипниками скольжения, в которых смазка действует как значительный поглотитель энергии. Поглощением энергии вибраций вследствие трения объясняется также применение в авиации заклепок вместо сварных соединений: клепаные соединения испытывают небольшие перемещения друг относительно друга, благодаря чему поглощается энергия вибраций. Тем самым предотвращается развитие вибрации до разрушительных уровней. Подобные конструкции называют сильно демпфированными. Демпфирование - это, по существу, мера поглощения энергии вибраций.
3.4. Собственные частоты
Любая механическая конструкция может быть представлена в виде системы пружин, масс и демпферов. Демпферы поглощают энергию, а массы и пружины - нет. Как мы видели в предыдущем разделе, масса и пружина образуют систему, которая имеет резонанс на характерной для нее собственной частоте. Если подобной системе сообщить энергию (например, толкнуть массу или оттянуть пружину), то она начнет колебаться с собственной частотой, а амплитуда вибрации будет зависеть от мощности источника энергии и от поглощения этой энергии, т.е. демпфирования, присущего самой системе. Собственная частота идеальной системы масса-пружина без демпфирования дается соотношением:
где Fn - Собственная частота;
k - коэффициент упругости (жесткость) пружины;
m - масса.
Рис. 7. Простейшее представление произвольной механической конструкции
Отсюда следует, что с увеличением жесткости пружины увеличивается и собственная частота, а с увеличением массы собственная частота падает. Если система обладает демпфированием, а это так для всех реальных физических систем, то собственная частота будет несколько ниже рассчитанного по приведенной выше формуле значения и будет зависеть от величины демпфирования.
Множество систем пружина-масса-демпфер (то есть простейших осцилляторов), которыми можно моделировать поведение механической конструкции, называют степенями свободы. Энергия вибраций машины распределяется между этими степенями свободы в зависимости от их собственных частот и демпфирования, а также в зависимости от частоты источника энергии. Поэтому вибрационная энергия никогда не распределена равномерно по всей машине. Например, в машине с электродвигателем главным источником вибраций является остаточный дисбаланс ротора двигателя. Это приводит к заметным уровням вибрации на подшипниках двигателя. Однако если одна из собственных частот машины близка к оборотной частоте ротора, то ее вибрации могут быть велики и на довольно большом удалении от двигателя. Этот факт необходимо учитывать при оценке вибрации машины: точка с максимальным уровнем вибрации не обязательно располагается рядом с источником возбуждения. Вибрационная энергия часто перемещается на большие расстояния, например, по трубам, и может вызвать настоящее опустошение при встрече с удаленной конструкцией, чья собственная частота близка к частоте источника.
Явление совпадения частоты возбуждающей силы с собственной частотой называется резонансом. При резонансе система имеет колебания на собственной частоте и имеет большой размах колебаний. При резонансе колебания системы сдвинуты по фазе на 90 градусов относительно колебаний возбуждающей силы.
В дорезонансной зоне (частота возбуждающей силы меньше собственной частоты) сдвига фаз между колебаниями системы и возбуждающей силы нет. Система движется с частотой возбуждающей силы.
В зоне после резонанса колебания системы и возбуждающей силы находятся в противофазе (сдвинуты относительно друг друга на 180 градусов). Резонансные усиления амплитуды отсутствуют. При росте частоты возбуждения амплитуда вибрации снижается, однако разность фаз в 180 градусов сохраняется для всех частот выше резонансной.
3.5. Резонанс
Резонансом называют такое состояние системы, при котором частота возбуждения близка к собственной частоте конструкции, то есть частоте колебаний, которые будет совершать эта система, будучи предоставлена самой себе после выведения из состояния равновесия. Обычно механические конструкции имеют множество собственных частот. В случае резонанса уровень вибрации может стать очень высоким и привести к быстрому разрушению конструкции.
Резонанс проявляется в спектре в виде пика, положение которого остается постоянным при изменении скорости машины. Этот пик может быть очень узким или, наоборот, широким, в зависимости от эффективного демпфирования конструкции на данной частоте.
Для того, чтобы определить, имеет ли машина резонансы, можно выполнить один из следующих тестов:
- тест-удар (bump test) - По машине ударяют чем-нибудь тяжелым, например, киянкой, записывая при этом вибрационные данные. Если машина имеет резонансы, то в ее затухающей вибрации выделятся собственные частоты.
- разгон или Выбег - машину включают (или отключают) и одновременно снимают вибрационные данные и показания тахометра. Когда обороты машины приблизятся к собственной частоте конструкции, на временной реализации вибрации появятся сильные максимумы.
- тест с вариацией скорости - скорость машины меняют в широком диапазоне (если это возможно), снимая данные вибрации и показания тахометра. Полученные данные затем интерпретируют так же, как в предыдущем тесте. На рисунке приведена идеализированная кривая механического резонансного отклика. Поведение резонирующей системы под воздействием внешней силы, очень интересно и немного противоречит бытовой интуиции. Оно строго зависит от частоты возбуждения. Если эта частота ниже собственной (то есть располагается слева от пика), то вся система будет вести себя подобно пружине, в которой смещение пропорционально силе. В простейшем осцилляторе, состоящем из пружины и массы, именно пружина будет определять отклик на возбуждение такой силой. В этой частотной области поведение конструкции будет совпадать с обыденной интуицией, откликаясь на большую силу большим смещением, причем смещение будет находиться в фазе с силой.
В области справа от собственной частоты ситуация другая. Здесь масса играет определяющую роль, и вся система реагирует на силу, грубо говоря, так, как это делала бы материальная точка. Это означает, что пропорциональным приложенной силе будет ускорение, а амплитуда смещения будет относительно неизменной с изменением частоты.
Отсюда следует, что вибросмещение будет в противофазе с внешней силой (так как оно в противофазе с виброускорением): когда вы будете давить на конструкцию, она будет двигаться к вам и наоборот!
Если частота внешней силы в точности совпадает с резонансом, то система будет вести себя совершенно по-другому. В этом случае реакции массы и пружины взаимоуничтожатся, и сила будет видеть только демпфирование, или трение, системы. Если система является слабо демпфированной, то внешнее воздействие будет подобно толканию воздуха. Когда вы пробуете его толкнуть, он легко и невесомо уступает вам. Следовательно, на резонансной частоте вы не сможете приложить к системе большую силу, а если попытаетесь это сделать, то амплитуда вибрации достигнет очень больших значений. Именно демпфирование управляет движением резонансной системы на собственной частоте.
На собственной частоте сдвиг фазы (фазовый угол) между источником возбуждения и откликом конструкции всегда составляет 90 градусов.
У машин с длинными роторами, например, турбин, собственные частоты называют критическими скоростями. Необходимо следить, чтобы в рабочем режиме таких машин их скорости не совпадали с критическими.
3.5. Тест-удар
Тест-удар - это хороший способ найти собственные частоты машины или конструкции. Ударное тестирование является упрощенной формой измерения подвижности, при которой не используется динамометрический молоток, и поэтому величина прилагаемой силы не определяется. Получающаяся в результате кривая не будет корректной в точном смысле. Однако пики этой кривой будут соответствовать истинным значениям собственных частот, что обычно достаточно для оценки вибрации машины.
Рис. 8. Структурная схема метода тест-удара
Проведение тест-удара с помощью БПФ анализатора чрезвычайно просто. Если анализатор обладает встроенной функцией отрицательной задержки, то ее триггер устанавливают на величину порядка 10% длины временной записи. Затем по машине вблизи места расположения акселерометра ударяют тяжелым инструментом с достаточно мягкой поверхностью. Для удара можно использовать стандартный измерительный молоток или кусок дерева. Масса молотка должна составлять около 10% массы испытываемой машины или конструкции. Если это возможно, временное окно БПФ анализатора должно быть экспоненциальным, чтобы обеспечить нулевой уровень сигнала в конце временной записи.
Слева приведена типичная кривая отклика на удар. При отсутствии в анализаторе функции задержки запуска может быть использована немного другая методика. В этом случае выбирается окно Ханна и задаются 8 или 10 усреднений. Затем запускают процесс измерений, а одновременно хаотически ударяя молотком до тех пор, пока анализатор не закончит измерения. Плотность ударов должна быть равномерно распределена во времени, чтобы частота их повторения не появилась в спектре.
3.6. Частотный анализ.
Чтобы обойти ограничения анализа во временной области, обычно на практике применяют частотный, или спектральный, анализ вибрационного сигнала. Если временная реализация есть график во временной области , то спектр - это график в частотной области. Спектральный анализ эквивалентен преобразованию сигнала из временной области в частотную. Так на приведенном рисунке, частотные составляющие сигнала отделены друг от друга и явно выражены в спектре, а их уровни легко идентифицировать. Эту информацию было бы очень непросто выделить из временной реализации.
Рис. 9. Графическая иллюстрация представления вибрации во временной и частотной областях.
На следующем рисунке видно, что события, перекрывающиеся друг с другом во временной области, разделяются в частотной области на отдельные компоненты.
Рис. 10. Представление вибрации в частотной и временной областях.
Временная реализация вибрации несет в себе большое количество информации, которая для невооруженного глаза незаметна. Часть этой информации может приходиться на очень слабые компоненты, величина которых может быть меньше, чем толщина линии графика. Тем не менее подобные слабые компоненты могут быть важны для выявления развивающихся неисправностей в машине, например, дефектов подшипников. Сама суть диагностики и обслуживания по состоянию, заключается а раннем обнаружении зарождающихся неисправностей, поэтому, необходимо обращать внимание и на чрезвычайно малые уровни вибрационного сигнала.
3.7. Примеры временных реализаций и их спектров.
Ниже приведены примеры временных реализации и спектров, иллюстрирующих важнейшие понятия частотного анализа. Хотя данные примеры в некотором смысле идеализированы, поскольку они были получены с помощью электронного генератора сигналов с последующей обработкой БПФ-анализатором. Тем не менее, они, определяют некоторые характерные черты, присущие спектрам вибрации машин.
Рис. 11. Спектр и временное представление синусоидального колебания.
Синусоидальное колебание содержит только одну частотную компоненту, а ее спектр - это единичная точка. Теоретически, истинное синусоидальное колебание существует в неизменном виде бесконечное время. В математике преобразование, переводящее элемент из временной области в элемент частотной области, называют преобразованием Фурье. Такое преобразование сжимает всю информацию, содержащуюся в синусоидальном колебании бесконечной продолжительности до единственной точки. На приведенном выше спектре единственный пик имеет конечную, а не нулевую ширину, что обусловлено погрешностью применяемого алгоритма численного расчета, называемого БПФ.
В машине с дисбалансом ротора возникает синусоидальная возбуждающая сила с частотой 1Х, то есть один раз за один оборот. Если бы отклик такой машины был абсолютно линейным, то результирующая вибрация была бы также синусоидальной и подобна приведенной выше временной реализации. Во многих плохо сбалансированных машинах временная реализация колебаний действительно напоминает синусоиду, а в спектре вибрации имеется большой пик на частоте 1Х, то есть на оборотной частоте.
На следующем рисунке представлен гармонический спектр периодического колебания типа обрезанной синусоиды.
Рис. 12. Вибрация типа обрезанной синусоиды.
Этот спектр состоит из компонент, разделенных постоянным интервалом, равным 1/(период колебания). Самая низшая из этих компонент (первая после нуля), называется основной, а все остальные - ее гармониками. Такое колебание было получено с помощью генератора сигналов, и, как видно из рассмотрения временного сигнала, оно несимметрично относительно нулевой оси (положения равновесия). Это означает, что сигнал имеет постоянную составляющую, превращающуюся в спектре в первую линию слева.
Как правило, при вибрационном анализе машин нежелательно проводить спектральный анализ на таких низких частотах по ряду причин. Большинство датчиков вибраций не обеспечивают правильные измерения до 0 Гц, и только специальные акселерометры, применяемые, например, в инерциальных навигационных системах, позволяют это делать. Для машинных вибраций наименьшая представляющая интерес частота обычно составляет 0,3Х. В некоторых машинах это может быть ниже 1 Гц, Чтобы измерять и интерпретировать сигналы ниже в диапазоне ниже 1 Гц необходимы специальные методики.
При анализе вибрационных характеристик машин не так уж редко приходится видеть временные реализации, срезанные наподобие приведенной выше. Обычно это означает, что в машине возникла какая-то разболтанность, и что-то ограничивает движение ослабленного элемента в одном из направлений.
Показанный далее сигнал аналогичен предыдущему, но срез в нем имеет место как с положительной, так и с отрицательной сторон.
Рис. 13. Синусоида, «срезанная» с двух сторон.
В результате временной график колебания (временная реализация) получается симметричным. Сигналы подобного типа могут возникать в машинах, в которых движение ослабленных элементов ограничено в обоих направлениях. В этом случае в спектре также будут спектр периодического сигнала присутствовать гармонические составляющие, однако это будут только нечетные гармоники. Все четные гармонические составляющие отсутствуют. Любое периодическое симметричное колебание будет обладать похожим спектром. Спектр сигнала квадратной формы также выглядел бы подобно этому.
Иногда похожий спектр встречается в машине с очень сильной разболтанностью, в которой смещение вибрирующих частей ограничено с каждой стороны. Примером этого является разбалансированная машина с ослабленными затяжными болтами крепления.
Спектр короткого импульса, полученный с помощью генератора сигналов, очень широкий.
Рис. 14. Единичный импульс (удар).
Его спектр не дискретный, а непрерывный. Другими словами энергия сигнала распределена по всему частотному диапазону, а не сосредоточена на нескольких отдельных частотах. Это характерно для недетерминированных сигналов, таких как случайный шум и переходные процессы. Заметьте, что, начиная с определенной частоты, уровень равен нулю. Эта частота обратно пропорциональна длительности импульса, поэтому, чем короче импульс, тем шире его частотный состав. Если бы в природе существовал бесконечно короткий импульс (говоря математически,- дельта-функция), то его спектр занимал бы весь частотный диапазон от 0 до +.
При исследовании непрерывного спектра обычно невозможно сказать, принадлежит ли он случайному сигналу или переходному. Это ограничение присуще частотному анализу Фурье, поэтому, сталкиваясь с непрерывным спектром полезно изучить его временную реализацию. Применительно к анализу вибрации машины, это позволяет отличить удары, имеющие импульсные временные реализации, и случайный шум, вызванный, например, кавитацией.
Единичный импульс, подобный этому, редко встречается в роторных машинах, однако при ударном тесте этот тип возбуждения используется специально для возбуждения машины. Хотя ее вибрационный отклик не будет такой классически гладкой кривой, какая приведена выше, но тем не менее он будет непрерывным в широком частотном диапазоне и иметь пики на собственных частотах конструкции. Это означает, что удар является очень хорошим типом возбуждения для выявления собственных частот, так как его энергия распределена непрерывно в широком частотном диапазоне.
Если импульс, имеющий приведенный выше спектр, повторяется с постоянной частотой, то результирующий спектр, который показан, здесь, будет уже не непрерывным, а состоящим из гармоник частоты повторения импульса, а его огибающая будет совпадать с формой спектра единичного импульса.
Рис. 14. Периодические импульсы (удары).
Подобные сигналы производят подшипники с дефектами (выбоины, царапины и т.п.) на одном из колец. Эти импульсы могут быть очень узкими, причем они всегда вызывают появление большой серии гармоник.
3.8. Биения.
Приведенная временная реализация похожа на амплитудную модуляцию, однако, в действительности, это лишь сумма двух синусоидальных сигналов с немного отличающимися частотами, которая называется биение.
Рис. 15. Биения.
Из-за того, что эти сигналы немного различаются по частоте, их разность фаз изменяется в пределах от нуля до 360 градусов, а это означает, что их суммарная амплитуда будет то усиливаться (сигналы в фазе), то ослабляться (сигналы в противофазе). В спектре биения присутствуют компоненты с частотой и амплитудой каждого сигнала, и полностью отсутствуют боковые полосы. В данном примере амплитуды двух исходных сигналов различны, поэтому они не полностью взаимоуничтожаются в нулевой точке между максимумами. Биение - это линейный процесс: оно не сопровождается появлением новых частотных компонент.
Электродвигатели часто генерируют вибрационные и акустические сигналы, напоминающие биения, в которых частота лже-биения равна удвоенной частоте проскальзывания. В действительности, это есть амплитудная модуляция вибрационного сигнала удвоенной частотой проскальзыаания. Такое явление в электродвигателях иногда также называют биением, вероятно, по той причине, что при нем механизм звучит как расстроенный музыкальный инструмент, "бьет".
Рис. 16. Биения, когда уровни складывающихся вибраций одинаковы
Этот пример биений аналогичен предыдущему, однако уровни складывающихся сигналов равны, поэтому они полностью взаимоуничтожаются в нулевых точках. Подобное полное взаимоуничтожение весьма редко встречается в реальных вибрационных сигналах роторного оборудования.
4. Лазерная виброметрия
Лазерная виброметрия – современный, качественно новый уровень измерения параметров механических колебаний объектов. Уникальные физические особенности лазерных методов определяют многие их достоинства. Это возможность дистанционного бесконтактного измерения вибрации и отсутствие влияния на резонансные свойства объектов, в том числе микроскопических размеров; возможность измерений без предварительной подготовки поверхности объекта и оперативное измерение вибраций в различных точках объекта в опасной для персонала зоне (химически агрессивной, с высокой температурой, радиацией и т.д.). Свое место лазерные виброметры находят в различных областях науки, промышленности, а также в медицинских применениях. Вот некоторые примеры использования лазерных доплеровских виброметров (ЛДВ) [1]:
Авиакосмическое – ЛДВ в этом случае являются инструментами не вызывающей разрушений диагностики компонент летательного аппарата;
Акустическое – ЛДВ – стандартные инструменты акустической системы, которые также помогают диагностировать и настраивать музыкальные инструменты;
Автомеханическое – ЛДВ активно используются во многих автомеханических приложениях таких, как динамика конструкций, диагностика разрушений, определение величин шума, вибрации и волнистости;
Биологическое – ЛДВ используются для диагностики слухового аппарата в медицине, а также для исследования коммуникации между насекомыми;
Калибровка – С тех пор как ЛДВ измеряют смещения, калибруемые до длины волны света, они часто используются для калибровки других типов преобразователей;
Диагностика жесткого диска – ЛДВ широко применяются для диагностики жестких дисков преимущественно для позиционирования головки;
Детектирование наличия мин – ЛДВ показали многообещающие результаты в сфере определения положения спрятанных мин. Методика использует аудио источник такой, как акустическую систему, чтобы взволновать землю и заставить ее колебаться в очень малых пределах. Затем ЛДВ измеряет эти колебания земли, и области поверхности над спрятанной миной показывают повышенный уровень вибрскорости на резонансной частоте пустой породы.
Лазерные интерферометры обладают высокой разрешающей способностью, с их помощью можно регистрировать изменения длина на сотые доли ангстрема. Принцип действия лазерных интерферометров для измерения скорости механических колебаний и линейных перемещений основан на использовании эффекта Допплера, который заключается в изменении частоты электромагнитного излучения при относительном движении приемника и источника излучения. Известно, что изменение частоты излучения при относительном движении двух инерциальных систем координат, в соответствии с преобразованием Лоренца, определяется следующим образом:
Где - круговые частоты излучения в разных системах координат; V – скорость движения объекта; - угол между направлением движения объекта и направлением излучения; с – скорость света.
При приеме электромагнитного излучения имеет место двукратный эффект Допплера. В этом случае, если приемник и источник излучения находятся в одной системе координат, круговая частота излучения в приемнике
Обозначая радиальную составляющую скорости движения объекта , разложим знаменатель выражения (31 просмотреть позже) в степенной ряд:
Затем, пренебрегая релятивистским эффектом (), получим
Таким образом, допплеровское изменение частоты отраженного светового излучения
Принцип действия лазерных интерферометров, предназначенных для измерения скорости механических колебаний и линейных перемещений, основан на изменении допплеровской частоты, которая выделяется путем наложения двух совмещенных в пространстве волн.
Наибольшее распространение получил одночастотный лазерный двухлучевой интерферометр (рис. 17), который называют интерферометр Майкельсона. Рассмотрим его работу. Излучение одночастотного стабилизированного лазера 6, используемого в качестве источника света, с помощью коллиматора 5 расширяется и направляется неподвижным зеркалом 4 на призму-кубик с полупрозрачной поверхностью 3. На этой поверхности излучение расщепляется на две равных по интенсивности части, одна из которых направляется на неподвижный отражатель 2 (опорное плечо интерферометра), другая – на отражатель 1, связанный с объектом измерения (измерительное плечо интерферометра). Отраженные от отражателя составляющие лазерного излучения совмещаются на плоскости 3 и интерферируют. Поле интерференции можно наблюдать в окуляр 7.
Рис. 17. Структурная схема интерферометра Майкельсона.
Первый отечественный портативный лазерный виброметр повышенной чувствительности разработал ФГУП ННИПИ "Кварц". В 2007 году после проведения государственных испытаний прибор включен в Государственный реестр средств измерений Российской Федерации.
Лазерный виброметр предназначен в первую очередь для дистанционного измерения виброскорости исследуемого объекта или его части в пределах от 0,01 до 50 мм/с на виброчастотах от 80 Гц до 11 кГц с возможностью расширения диапазона виброчастот в сторону низких частот до 10 Гц. Измерительная дистанция от лазерного виброметра до испытуемого объекта составляет от 1,5 до 10 м и более. Напряжение питания виброметра – 12 В постоянного тока от переносной аккумуляторной батареи или от источника питания, подключаемого к сети переменного тока 220 В (50 Гц). Потребляемая мощность – 15–20 Вт (в зависимости от режима работы).
Принцип работы лазерного виброметра основан на доплеровском сдвиге частоты оптического (лазерного) излучения, отраженного от движущегося объекта. В этом случае применяют метод оптического гетеродинирования отраженного от объекта слабого оптического сигнала на основе двухлучевой интерференционной оптической схемы с последующим формированием квадратурных компонент электрического сигнала фотодетекторами балансного типа. Микропроцессоры, входящие в состав лазерного виброметра, производят цифровую обработку и анализ вибрационных сигналов. Результаты в виде спектрограмм или осциллограмм отображаются на экране внешнего компьютера, подключенного через каналы RS-232 или USB, разъемы которых размещены на панели управления прибора. Измерение параметров сигнала проводится при помощи подвижного маркера на экране дисплея.
Рис. 18. Структурная схема лазерного виброметра.
В состав портативного лазерного виброметра входит карманный персональный компьютер (КПК). Он в графическом виде отображает результаты измерений на дисплее; управления режимами работы лазерного виброметра через виртуальную панель управления, в том числе режимами обработки сигнала и отображения его во временной (осциллограф) или в частотной (анализатор спектра) областях; выбирает пределы амплитудных измерений и длительности развертки в режиме осциллографа, а также частотную полосу обзора в режиме анализатора спектра и число усреднений реализаций спектров от 1 до 256; выполняет функцию установки линейного или логарифмического масштабов в режиме анализатора спектра и в режиме записи результатов измерений на флэш-карту в формате, выбранном оператором и с возможностью последующего воспроизведения на другом компьютере. Разработано программное обеспечение, которое позволяет управлять всеми перечисленными функциями и режимами при помощи стандартных компьютеров по каналам RS-232 или USB, что дает возможность включать лазерный виброметр в автоматизированные измерительные системы. В состав лазерного виброметра входят оптическая система, формирующая квадратурные составляющие доплеровского сигнала, и электронная система (рис.1).
4.1. Оптическая схема лазерного виброметра
В основе оптической схемы виброметра лежит классическая схема интерферометра Майкельсона. Базовые структурные элементы оптической системы виброметра (рис.2): лазерный источник монохроматического излучения; телескопическая система, выполняющая функции приемо-передающей "оптической антенны"; оптическая система сопряжения волновых фронтов сигнальной и опорной волны типа "кошачий глаз"; фотоприемные модули балансного типа; оптический делитель-смеситель для формирования и пространственного совмещения опорного и сигнального лазерных пучков.
Рис. 19. Оптическая схема: 1 – гелий-неоновый лазер (λ=630 нм); 2, 3, 11 – поворотные призмы; 4, 13, 17 – призмы поляризаторы; 5, 10, 16 – четвертьволновые фазовые пластины; 6, 7 – окуляр и объектив телескопической системы; 8, 9 – диэлектрическое зеркало и объектив оптической системы фазового сопряжения волновых фронтов сигнального и опорного пучков; 12 – неполяризующий делитель мощности лазерного пучка; 14, 15, 18, 19 – фотоприемники; 20 – исследуемый объект.
Сложность и особенности схемы обусловлены техническим назначением виброметра и связаны со значительным (на 5–7 порядков) ослаблением принимаемой световой мощности лазерного пучка, направляемого на объект, а также со спекл-структурой распределения интенсивности волнового фронта диффузно отраженного излучения лазера.
Лазерный пучок от лазера (обычно используют гелий-неоновый с длиной волны λ=0,63 мкм, однако также применяют лазерные диоды, волоконный и Nd:YAG лазеры) поворотными призмами 2 и 3 направляется на поляризующий делитель 4, где разделяется на два пучка равной мощности: сигнальный (трасса 4, 5, 6, 7, 20) и опорный (трасса 4, 11, 10, 9, 8) со взаимно-ортогональными поляризациями. Телескопическая система (6, 7) в сигнальном плече интерферометра предназначена для фокусировки излучения на поверхности объекта. Эта фокусировка должна быть достаточной для того, чтобы спекл-структура фронта отраженной волны ("спекл-поле") воспринималась, при соответствующем наведении излучения на объект, как квазиоднородная монохроматическая волна. Четвертьволновые фазовые пластины (5, 10) производят поворот поляризации сигнального и опорного пучков на 90° относительно исходных. Это необходимо для беспрепятственного прохождения ими поляризующего делителя (4) в направлении к неполяризующему делителю (12), ориентированному к пучкам под углом 45° и разделяющему каждый из них на два идентичных пучка. Лазерные пучки после делителя (12) попадают в фотоприемные модули (13, 14, 15) и (17, 18, 19), в состав которых входят по два фотоприемника и по одному делителю-поляризатору типа (4). Указанная на схеме ориентация делителей под углом 45° обеспечивает формирование сдвинутых по фазе на 180° интерференционных сигналов в каждой паре фотоприемников: (14, 15) и (18, 19) соответственно. Это позволяет при вычитании инвертированных электрических сигналов с выходов фотоприемников улучшить отношение сигнал/шум. Фазовая пластина (16) осуществляет относительный сдвиг фазы оптических сигналов на четверть периода, чтобы в фотоприемных модулях формировались квадратурные электрические сигналы.
Так как носителем информации о параметрах механических колебаний объекта является лазерное когерентное излучение, то непосредственно обнаружить допплеровский сдвиг частоты на фоне частоты излучения лазера (порядка Гц) невозможно. Поэтому для выделения сигнала допплеровской частоты используют наложение опорной и измерительной волн, совмещенных в пространстве. Пусть электрические векторы соответственно опорной и отраженной от колеблющейся поверхности волн имеют вид
Где А и В – комплексные амплитуды волн:
Где – вещественные фазы обеих волн.
В некоторой области поля происходит суперпозиция волн и суммарный электрический вектор
Тогда интенсивность
Подставляя выражения 50 и 51 в соотношение 52, получим
Усреднение выражения (53) по времени в интервале, большем по сравнению с периодом , приводит к тому, что члены, содержащие в показателях экспоненты 2 стремятся к нулю. Переходя в выражении (53) от комплексных величин к действительным и считая, что волны распространяются в направлении , получим
Таким образом, интенсивность результирующего поля в выходной плоскости окуляра 7 имеет переменную составляющую, частота которой промодулирована частотой Допплера. Ток в нагрузке квадратичного фотоприемника 10, помещенного в поле интерференции, описывается выражением
где , - мощности отраженной и опорной волн; – коэффициент, учитывающий параметры фотоприемника. Как видно из выражения (54), выходной сигнал фотоприемника содержит постоянную составляющую и переменную , в которой допплеровская частота, изменяется по закону, определяемому формулой (49) и, следовательно, содержит информацию о движении контролируемого объекта, осуществляют разными методами. Рассмотрим некоторые из них.
Осциллографический метод определения амплитуд гармонических колебаний основан на измерении параметров кривой фототока по экрану осциллографа 13.
Формула для определения амплитуды колебаний исследуемого объекта имеет вид
Где - число экстремумов за полупериод колебаний, уменьшенное на 1; - размах осциллограммы в ближайшем положении к экстремуму. Данный метод в частотном диапазоне от 1 до 30 кГц имеет погрешность, не превышающую 0,02.
Следует учитывать, что в области более низких частот погрешность метода увеличивается из-за отсутствия возможности компенсации «теплового дрейфа» установки.
Допплеровское изменение частоты при гармоническом колебательном движении объекта измерения определяется соотношением
Где - частота излучения лазера, рад/с; - частота колебаний объекта измерения, рад/с; - амплитуда скорости перемещения объекта измерения, мм/с; - скорость света, мм/с.
Тогда частоту колебаний излучения лазера, отраженного от объекта измерения 1, определяют так:
Выражая частоту отраженного излучения через изменение фазы получим
Отсюда отраженная от объекта измерения световая волна
Где - амплитуда напряженности излучения, отраженного от объекта измерения.
Здесь коэффициент перед вторым членом выражения является индексом частотной модуляции, а девиация частоты равна частоте Допплера.
В этом случае величина опорной световой волны
Где - амплитуда напряженности опорного излучения.
Таким образом, в случае гармонического колебательного движения объекта измерения, переменная составляющая выходного электрического сигнала фотоприемника, воспринимающего изменяющуюся интенсивность интерференционной картины
Выражение упрощается, если провести калибровку установки так, чтобы выполнялось соотношение
Где N – целое число, - погрешность установки длины опорного плеча, . Т.е. длина опорного плеча интерферометра равна целому числу длин волн лазера плюс погрешность, связанная с неточностью позиционирования оптических элементов. Тогда
4.2. Электрическая схема лазерного виброметра.
Электрическая схема состоит из фотоприемников, которые преобразуют оптические квадратурные составляющие доплеровских сигналов в соответствующие им электрические. Последние усиливаются в блоке малошумящих усилителей с системой автоматической регулировки усиления. С выхода блока усилителей квадратурные доплеровские сигналы поступают на демодуляторы, которые их преобразуют в сигналы, пропорциональные мгновенным значениям виброскоростей исследуемого объекта. В системе присутствуют два вида демодуляторов: демодулятор частотный, предназначенный для формирования сигнала виброскорости от 50 до 0,2 мм/с, и демодулятор аналитического сигнала для формирования сигнала виброскорости от 1 до 0,01 мм/с. Демодуляторы построены на основе аналого-цифровых схем с применением микропроцессоров. С выходов демодуляторов аналоговый сигнал виброскорости поступает на выходной разъем и на вход управляющего блока, созданного на базе сигнального и управляющего микропроцессоров. Такое сочетание микропроцессоров позволило реализовать разные режимы работы управляющего блока: режимы осциллографа, анализатора спектра, а также связь с внешними устройствами по каналам RS-232 и USВ (отображается информация об измерениях и обеспечивается управление режимами работы лазерного виброметра).
Режим анализатора спектра считается типовым режимом работы лазерного виброметра. В этом режиме определяются значения резонансных частот исследуемых объектов и измеряются уровни сигналов малых значений виброскорости при наличии сопутствующих шумов различного происхождения. Если сравнить сигналы во временной и частотной областях, то выявится очевидное преимущество спектрального подхода к измерению виброскорости. Если уменьшить амплитуду в 100 раз (до -40дБ), то корректно измерить амплитуду сигнала во временной области будет сложно из-за сильных шумов. В спектральной области амплитуда измеряется с гораздо меньшей погрешностью: разность между значениями 9,38 дБ и -49,53 дБ составляет -40,15 дБ. Измерить значения виброскорости порядка 10 мкм/с и менее можно только в режиме спектрального анализа.
По своей структуре и производимым измерениям выделяют следующие типы лазерных виброметров:
Точечный – Самый распространенный. В списке известных фирм-производителей находятся Polytec, MetroLaser, B&K, Brimrose, Piezojena;
Сканирующий – Такой виброметр имеетустановку X-Y сканирующих зеркал, что позволяет лазерному лучу перемещаться по исследуемой поверхности;
3-D виброметр – Стандартный виброметр измеряет скорость объекта вдоль направления лазерного луча. Для измерения всех трех компонент скорости объекта 3D-виброметр определяет его положение тремя независимыми лучами, которые подходят к цели с трех разных направлений. Это позволяет фиксировать продольную и поперечную составляющие скорости объекта;
Вращательный – Вращательные виброметры используются для нахождения вращательной и угловой скорости объекта;
Дифференциальный – Такой виброметр измеряет разницу поперечной составляющей скорости между двумя разными точками объекта;
5. Технико-экономическое обоснование.
Лазерная виброметрия – современный, качественно новый уровень измерения параметров механических колебаний объектов. Уникальные физические особенности лазерных методов определяют многие их достоинства. Это возможность дистанционного бесконтактного измерения вибрации и отсутствие влияния на резонансные свойства объектов, в том числе микроскопических размеров; возможность измерений без предварительной подготовки поверхности объекта и оперативное измерение вибраций в различных точках объекта в опасной для персонала зоне (химически агрессивной, с высокой температурой, радиацией и т.д.). Свое место лазерные виброметры находят в различных областях науки, промышленности, а также в медицинских применениях. Вот некоторые примеры использования лазерных доплеровских виброметров (ЛДВ) [1]:
Измерение вибрации электрических двигателей, компрессоров, насосов и т.п.;
Контроль шума турбомашин, кондиционеров, коробок передач, регулирующих устройств;
Контроль различных автомобильных компонентов и производимых изделий в поточной линии;
Испытание микроэлектроники, MEMS сенсоров и приводов головок;
Измерение вибрации объектов исключающих установку датчиков (ограничение по весу, температуре, размеру)
Анализ ультразвукового и медицинского оборудования;
Диагностика жесткого диска – ЛДВ широко применяются для диагностики жестких дисков преимущественно для позиционирования головки;
Калибровка – С тех пор как ЛДВ измеряют смещения, калибруемые до длины волны света, они часто используются для калибровки других типов преобразователей;
Диагностика слухового аппарата в медицине, а также для исследования коммуникации между насекомыми.
Важно отметить, что лишь совсем недавно, в том числе благодаря развитию микроэлектроники и увеличению степени интеграции микросхем, удалось построить портативные лазерные интерферометры. Это во многом связано с тем, что интерферометр из-за своей сверхвысокой чувствительности, подвержен действию самых разных источников помех, в первую очередь это влияние окружающей среды и неинформативных вибраций опоры. Первые интерферометры были в основном предназначены для калибровки различных средств измерения, а также применялись при контроле деталей особо высокой степени точности. Они устанавливались в специальном помещении, где искусственно поддерживалась постоянная температура воздуха и влажность. В качестве опоры использовались монолитные гранитные плиты, которые как раз не были подвержены действию неинформативных вибраций.
Также значительную трудность в обеспечении точности представляет изготовление оптических деталей, а также их последующая сборка. Ведь неровность поверхности оптической детали, составляющая даже одну длину волны излучения лазера (600 – 900 нм) уже внесет постоянную составляющую в погрешность измерения.
Так, одним из наиболее популярных на отечественном рынке портативных лазерных виброметров, является устройство IVS-200 фирмы Polytec.
Рис. 20. Индустриальный датчик вибрации IVS-200.
Принадлежности:
Дефлектор луча
Комплект программ
Дополнительные части
IVS-200 индустриальный датчик вибрации - лазерный виброметр, предназначенный для бесконтактного измерения вибрации. Изначально, IVS-200 был разработан для стационарного применения в существующих поточных линиях. Лазер, оптика и электроника расположены в компактном едином корпусе и безопасное видимое излучение фокусируется на измеряемую поверхность на определенном расстоянии от неё. Установленный должным образом, датчик IVS-200 может контролировать дефекты, шум и вибрацию различных объектов от микроэлектроники до огромных зданий и сооружений. При использовании датчика в стационарных системах, выходной сигнал позволяет с помощью контролера управлять процессом, что сокращает количество дефектов, улучшает контроль качества изделий и повышает производительность. Используя портативные виброанализаторы для обработки выходного сигнала, датчик позволяет диагностировать оборудование, на котором невозможно или некорректно использовать контактные датчики вибрации.
Особенности датчика вибрации IVS-200:
• Высокая точность измерений
• Широкий диапазон измерения частоты и скорости вибрации
• Компактный, износостойкий и прочный корпус исполнения IP-64
• Безопасный лазер (Класс II)
• Простота установки и использования
• Встраиваемость в существующие системы управления
• Широкий диапазон установочных расстояний
• Питание ± 11 В - 14.5В (~ 100-240В)
В настоящее время развитие вычислительных средств позволяет исключить помеховую составляющую из результатов измерения непосредственно в процессе их проведения. Для этой цели интерферометры оснащают дополнительными каналами коррекции, которые вычисляют поправку по температуре, атмосферному давлению, влажности воздуха и даже по вибрациям собственно интерферометра. К тому же стали доступными высококачественные штативы, которые позволяют частично снизить степень внешних воздействий на измерительную установку.
Так, так к примеру на рынке представлена специализированная система введения поправок для интерферометрии XC80 фирмы Renishaw.
Блок компенсации изменения параметров окружающей среды XC80 позволяет вводить поправки на изменение длины волны лазерного излучения, связанное с изменениями температуры, давления и относительной влажности окружающего воздуха.
Рис. 21. Блок компенсации параметров окружающей среды.
Точность линейных измерений зависит от того, с какой точностью определена длина волны лазерного излучения. Длина волны лазера, в свою очередь, зависит не только от стабилизации лазера, но и от параметров окружающей среды. В частности, длина волны лазерного излучения в воздухе определяется температурой, давлением и относительной влажностью окружающего воздуха.
Этот блок осуществляет измерение температуры, давления и влажности воздуха и затем рассчитывает показатель преломления воздуха и, таким образом, длину волны лазера. После этого в показания лазерного интерферометра автоматически вносятся поправки на изменение длины волны лазерного излучения. Преимущество автоматической компенсации состоит в том, что процесс измерений в этом случае не требует вмешательства пользователя, а обновление поправок происходит достаточно часто.
Блок компенсации XC80 абсолютно необходим при линейных измерениях. В противном случае изменения показателя преломления воздуха могут привести к значительным ошибкам измерений. Точность измерения линейных перемещений, соответствующая заявленной точности лазерного интерферометра при линейных измерениях, может быть достигнута только при использовании блока компенсации XC80.
Техническая характеристика блока компенсации изменения параметров окружающей среды XC80
|
Температура окружающего воздуха |
0-40 °C |
|
Точность измерения температуры окружающего воздуха |
±0,2 °C |
|
Давление окружающего воздуха |
750-1150 мбар |
|
Точность измерения давления окружающего воздуха |
±1,0 мбар |
|
Относительная влажность |
0-95% (отсутствие конденсации) |
|
Точность измерения относительной влажности |
±15% относительной влажности |
|
Точность компенсации длины волны |
±0,7 ppm |
|
Температура станка |
0-40 °C |
|
Питание |
XC80 Gold Standard: |
|
Параметры предохранителей |
IEC 127 Class T (медленно перегорающий) |
Датчики измерения параметров окружающей среды
Датчики измерения температуры воздуха и материала станка, показанные на рисунке, являются раздельными выносными элементами и поставляются уже в собранном виде с вмонтированным в них кабелем.
Основной недостаток приведенной системы, на мой взгляд, заключается в том, что датчики имеют проводное соединение с самим модулем. Это несколько усложняет эксплуатацию прибора, а в некоторых случаях она вообще становится невозможной (когда расстояние до объекта значительно превышает длину кабеля). Именно поэтому, на мой взгляд, необходимо разработать компактные беспроводные датчики для измерения параметров атмосферы а также температуры объекта измерения. Это должны быть не просто датчики с радиоканалом, а отдельные полноценные средства измерения с собственным АЦП и управляющим контроллером. Это позволит сразу получать от датчика необходимую величину поправки. К тому же, при использовании настраиваемого радиоканала можно расширить максимальное количество датчиков коррекции, т.е. максимально адаптировать устройство под потребности пользователя.
6. Разработка структурной схемы устройства
Рис. 22. Структурная схема лазерного виброметра
Основной недостаток рассмотренной ранее схемы интерферометра – она не позволяет определить направление движения (от интерферометра или к интерферометру). Этот недостаток не является существенным при измерении простых линейных перемещений, направление которые пользователь может определить «на глаз». Однако этот недостаток не позволит адекватно анализировать такие сложные перемещения, как вибрации, особенно полигармонические, а также перемещения на сверхмалые дистанции, которые уже трудно отследить «на глаз».
Для устранения этого недостатка предложена схема на рис. 22. Здесь 1 – лазер с длиной волны λ, 2 – светоделительная пластина из исландского шпата, 3 – четверть волновая пластина, 4 – светоделительная призма-кубик, 5 – неподвижный опорный отражатель, 6 – исследуемый объект с отражателем, движущийся по закону F(t), 7 – фотоприемники, 8 – модуль сбора и обработки результатов измерений.
Отличие от описанного ранее интерферометра Майкельсона заключается в том, что на пути лазерного луча ставится светоделительная пластина из исландского шпата 2, которая, за счет эффекта двойного лучепреломления, разделяет исходный луч на два параллельных, поляризованных во взаимно-перпендикулярных плоскостях (черный – плоскость поляризации совпадает с плоскостью чертежа, красный – плоскость поляризации перпендикулярна плоскости чертежа). Далее один из лучей проходи через четверть волновую пластину, которая вносит дополнительный сдвиг фаз . Тогда, в соответствии с ранее выведенной формулой () и с учетом распределения мощностей в лучах, интенсивность в центре интерференционной картины для каждого луча будет равная:
Данные соотношения позволяют оценить ширину диапазона изменения интенсивности света, который принимает фотодиод. Минимальная интенсивность равна половине мощности луча, а максимальная – его полной мощности. Учитывая, что лазер 1 неполяризованный, то мощности разделенных лучей равны и составляют половину мощности лазера 1. В итоге получаем диапазон интенсивностей от до . Данное соотношение потребуется при выборе принимающего фотодиода – необходимо чтобы максимум его чувствительности приходился как раз на этот диапазон интенсивности излучения. Второе важное требование при выборе фотодиода – его спектральная характеристика. Ее максимум должен приходиться на длину волны лазера 1.
В итоге на фотоприемники придут сигналы, сдвинутые по фазе друг относительно друга на . Важно отметить, что знак этого сдвига фаз как раз определяется направлением движения объекта, т.е. детектируя изменение сдвига фаз можно установить смену направления перемещения исследуемого объекта.
Кроме динамического, необходимо также определить частотный диапазон выходного сигнала интерферометра. Это необходимо для определения принципов функционирования и подбора элементной базы модуля сбора и обработки результатов измерений 8.
Как известно, любой сложный периодический сигнал S(t) можно представить с помощью ряда Фурье в виде суммы простых гармонических колебаний:
На практике сложные сигналы рассматривают не на бесконечной полосе частот , а на ограниченной , т.е. считают частоты, большие чем пренебрежимо малыми. Поскольку мы анализируем вопрос быстродействия системы, то рациональнее всего оценить быстродействие по реакции на колебание объекта, описываемое законом
Здесь А – амплитуда колебаний. То есть, если система сумеет обработать сигнал с частотой , то она сможет обработать и другие сигналы с меньшими частотами. Величинутакже называют вибросмещением
Поскольку объектом исследования являются механические колебания, то кроме самого закона перемещения, необходимо знать также скорость перемещения
Данную величину также называют виброскоростью. Эта величина используется при описании как низкочастотных, так и высокочастотных колебаний, в то время как величина вибросмещения применяется при описании низкочастотных вибраций. Из данного соотношения видно, что виброскорость будет изменяться в пределах от 0 до . Поскольку задача состоит в оценке максимального быстродействия, то будем рассматривать величину .
Суть измерения перемещений интерферометром сводится к счету максимумов излучения, поскольку при перемещении объекта на расстояние, равное длине волны лазера λ, произойдет переход от максимума излучения к минимуму, а затем снова к максимуму. Зная количество таких переходов можно с точностью до λ оценить дистанцию. Счет осуществляется цифровыми средствами, поэтому по максимуму излучения формируются счетные импульсы. Важно, чтобы системе хватало времени на обработку текущего импульса до прихода следующего. Это время будет равно времени T, за которое объект преодолеет расстояние λ.
Тогда минимальная рабочая частота схемы с 10% запасом по быстродействию будет равна:
Данное соотношение задает ограничение по частоте и амплитуде для исследуемых вибраций, т.е. в общем случае ограничение по виброскорости. Также необходимо отметить, что ограниченная емкость цифрового счетчика создает ограничение по максимально возможной величине измеряемого перемещения, т.е. в случае вибраций ограничение по амплитуде.
6.1. Лазер.
Для реализации интерферометра используем готовый прецизионный лазерный модуль LT-PLM-635-01 фирмы LaserComponents. Это готовый функционально законченный лазер со встроенным стабилизатором напряжения и коллиматором в прочном алюминиевом корпусе. Важная отличительная особенность модуля – высокая точность позиционирования луча, реальное отклонение луча от установленного направления не превышает 0,05 мРадиан (отклонение на 1мм на расстоянии 20м).
Данные лазерные модули предназначены для применения в устройствах высокоточного лазерного позиционирования, а также в измерителях дальности.
Рис. 23. Внешний вид лазерного модуля LT-PLM-635-01.
Длина волны излучения 635 нм, мощность излучения 1мВт, расходимость излучения в пространстве 0,2 мРадиан.
Напряжение питания 4,5 – 30 В, постоянное. Потребление тока не более 50мА. Стоит отметить, что производитель также предлагает готовые источники питания для лазерного модуля, однако их я решил не использовать, поскольку они не имеют входов для управления посредством электрического сигнала.
6.2. Фотодиоды.
Для реализации данного устройства используем фотодиоды SAE230VS фирмы LaserComponentsпредназначенные для реализации в устройствах измерения дальности. Диаметр активной зоны 230мкм, диапазон длин волн 430 – 1000 нм, пиковая чувствительность 635нм, возможно исполнение с узкополосным оптическим фильтром 635 нм.
Параметры фотодиодов
Рабочая температура -55 – 100 0С.
Чувствительность 38 А/Вт
Темновой ток 5 - 20 нА
Ток шума до 1 пА/
Емкость не более 6 пФ
Характеристики, приведенные в описании производителя
Fig. 1 – зависимость чувствительности (А/Вт) от длины волны, т.е. спектральная чувствительность.
Fig. 2 – величина квантовой эффективности (%) в зависимости от длины волны.
Fig. 3 – типовые характеристики темнового тока на разных температурах.
Fig. 4 – зависимость усиления от напряжения смещения.
7. Разработка функциональной схемы устройства.
Для того, чтобы преобразовать входное модулированное напряжение в дискретные импульсы применим следующую схему
Рис. 24. Функциональная схема приемной части устройства.
Здесь преобразователи ток/напряжение, преобразуют ток фотодиодов в нормированное по уровню напряжение, свободное от различных помех (синфазная помеха, шум фотодиодов и т.д.). Далее сигнал с каждого канала поступает на сглаживающий пиковый детектор, затем ослабляется вдвое и поступает на компараторы напряжения как опорный сигнал. При превышении этого опорного сигнала формируются импульсы положительной полярности, по уровню соответствующие логической единице цифровой части схемы.
7.1. Преобразователь ток/напряжение для фотодиодов.
Схема включения фотодиодов, которая характеризуется высоким коэффициентом подавления синфазной помехи и хорошим быстродействием
Рис. 24. Схема включения фотодиода с максимальным подавлением синфазной помехи.
Как показано на рис. 24, фотодиод подключается между входами двух преобразователей тока в напряжение на операционных усилителях ОР1 и ОР3, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя ОР2. Ток фотодиода снова течет через два одинаковых сопротивления, на которые действует одинаковая электростатическая шумовая связь. Ток диода создает дифференциальный сигнал на сопротивлениях, а шумовая связь генерирует синфазный сигнал. При прохождении через эти сигналы разделяются: сигнал диода проходит на выход, а шумовой сигнал подавляется.
Неинвертирующие входы обоих преобразователей тока в напряжение заземлены, поэтому на обоих выводах диода устанавливается нулевое напряжение. Кроме того, в такой схеме исключается появление сигнала на синфазных входных емкостях, поэтому увеличивается полоса усиления сигнала и подавления электростатических помех. Важно то, что неинвертирующие входы не подключаются через высокое сопротивление для коррекции ошибок от входного тока. Это не нужно, так как ОР1 и ОР3 формируют согласованные напряжения на своих выходах. Эти напряжения являются синфазным входным сигналом для ОР2, и поэтому они подавляются.
Может оказаться, что магнитную шумовую связь труднее устранить, чем электростатическую, но ее влияние также уменьшается при использовании дифференциальных входов. В этом случае возникает связь через взаимную индуктивность, поэтому основной задачей является минимизация размеров петель проводников вместе с экранированием и максимальным разделением источника и приемника помех. Ее влияние не устраняется электростатическим экраном, поэтому первым шагом должно быть подавление помех непосредственно на их источнике. Силовые трансформаторы, которые невозможно удалить на достаточное расстояние, должны иметь экранирование, чтобы бóльшая часть их магнитных полей оставалась внутри трансформатора. Оставшиеся магнитные связи воздействуют через физическую и схемотехническую конфигурации. Резисторы с большим сопротивлением, используемые в трансимпедансных усилителях, чувствительны к этому воздействию, и соединения между этими резисторами и высокоимпеданснымивходами операционных усилителей должны быть как можно короче. Оставшиеся помехи делаются синфазными за счет согласования формы и размеров проводников, чтобыоперационный усилитель мог их подавить.На рис. 10 большое сопротивление разделено между двумя одинаковыми элементами, которые физически монтируются с одинаковой ориентацией и на одинаковом расстоянии относительно источника магнитных помех. Помехи, наведенные на два резистора, в этом случае создают одинаковые сигналы, которые подавляются на выходе усилителя.
Третья разновидность помех — радиочастотные — хуже ослабляются усилителями, поэтому основные способы борьбы с ними —это экранирование и фильтрация. Источники радиочастотных помех могут оказаться поблизости от схемы с фотодиодом, например, это могут быть цифровые схемы, которые наиболее часто присутствуют в системе.На высоких частотах операционные усилители имеют небольшое усиление и слабое подавление синфазных сигналов, и поэтому они не могут подавлять радиочастотные сигналы. Из-за этих ограничений операционных усилителей и ограничения полосы в основной схеме преобразователя тока в напряжение исследуемые сигналы не могут находиться в радиочастотном диапазоне. Для удаления нежелательных сигналов можно использовать фильтрацию, если ее удастся применить на входе усилителя. Фильтрация после усилителя менее эффективна, так как операционный усилитель может работать подобно радиочастотному детектору, отделяющему более низкие частоты от несущей. Дальнейшее уменьшение этих видов шумов можно получить при помощи радиочастотных экранов и «земляных» слоев на печатной плате.
Выходной сигнал такого преобразователя будет определяться по формуле:
Учитывая, что величина тока фотодиода равна
Где , которая равна
Здесь – площадь активной зоны фотодиода, м2, – интенсивность лазерного луча, Вт/м2, –радиус активной зоны фотодиода, м2, – угол расходимости лазерного луча, Радиан, –расстояние от излучателя до приемника.
Так при расстоянии принимаемая одним фотодиодом максимальная мощность будет равна 0,3мВт, а минимальная принимаемая мощность соответственно – 0, 15мВт
Соответственно, для удобства дальнейшего преобразования максимальное выходное напряжение должно соответствовать напряжению уровня логической «1» цифровой части устройства, т.е. 3,5 В. Тогда
7.2. Пиковый детектор.
Рис. 25. Пиковый детектор
Данная схема характеризуется высокой скоростью нарастания сигнала, т.е. реагирует на быстрые изменения входного сигнала.
Операционный усилитель ОР1 заряжает конденсатор до пикового значения, а ОУ ОР2 выполняет роль буферного повторителя. Когда входное напряжение превышает хранимое на конденсаторе С, выходное напряжение ОУ А1, увеличивается и заряжается через диод VD1. Конденсатор разряжается через резистор R2 на виртуальную землю – инвертирующий вход ОУ ОР1. Спад выходного напряжения в режиме хранения определяется экспоненциальным разрядом конденсатора с постоянной времени СR2. Каскад на ОУ ОР1 представляет собой однополупериодный выпрямитель. Диод VD2 обеспечивает отрицательную обратную связь ОУ ОР1 в режиме хранения. Это предотвращает насыщение усилителя ОР1 и значительно сокращает время перехода в режим отслеживания сигнала. Диод VD2 можно исключить, но это снизит быстродействие схемы.
7.3. Структурная схема измерительной части устройства
Сформированные импульсы, соответствующие максимумам интерференции, далее поступают на измерительную часть устройства, структурная схема которой приведена на рис.26
Рис. 26. Структурная схема измерителя.
Квадратурные составляющие преобразованы в два импульсных сигнала, смещенных друг относительно друга на 900. В зависимости от направления движения это смещение может быть положительным относительно sin сигнала или отрицательным. Фазовое смещение выделяется с помощью модуля выделения направления, который построен на D-триггерах (рис.27)
Рис. 27. Модуль выделения направления движения
Импульсы поступают на D-триггеры и в случае, если sin опережает cos, то на триггере DFF1 логическая единица устанавливается позднее, чем на триггере DFF2 и таким образом триггер DFF3 переключается в логический «0». В противном случае, триггер переключится в логическую единицу.
Триггер DFF3 управляет направлением счета счетчика дальности, благодаря чему схема позволяет выделять направление движения. В счетчик дальности изначально записано число, соответствующее половине его максимальной емкости. Это своеобразное смещение необходимо для того, чтобы можно было сразу отслеживать перемещения в обоих направлениях. В противном случае (счетчик изначально на 0) перемещения со знаком – отследить не удастся.
7.4. Устройство автоматического выбора частоты дискретизации.
Запись текущей дальности, а также направления движения в память производится по импульсам частоты дискретизации. В простейшем случае она может иметь одно значение или может быть несколько диапазонов, которые переключаются вручную или автоматически.
Частота дискретизации используется также для перебора адресов и по передним фронтам осуществляет запись текущего значения дальности.
Поскольку разрабатываемый прибор должен быть адаптивным, в его состав включено устройство автоматической установки частоты дискретизации.
Данный модуль предназначен для адаптации частоты дискретизации к верхней частоте вибрации объекта исследования. Данный модуль позволяет добиться следующих положительных эффектов:
Экономичное использование пространства памяти за счет избавления от избыточности информации, что позволяет исследовать объект в течение большого промежутка времени. На низких частотах эту проблему можно решить, передавая информацию напрямую в компьютер, однако на высоких частотах (порядка 100МГц) уже появляются довольно серьезные требования по быстродействию к интерфейсу.
Ограничение частоты дискретизации работает как ФНЧ, что позволяет сразу очистить результаты измерений от высокочастотных помех, не связанных с движением исследуемого объекта.
Верхняя частота вибрации исследуемого объекта определяется частотой одного из входных сигналов (sin или cos).
В принципе, адаптацию частоты можно организовать программными средствами, однако это значительно увеличит время, необходимое для выбора оптимальной частоты дискретизации и создаст дополнительную нагрузку на микроконтроллер. Поэтому решено построить устройство автоматического выбора частоты дискретизации на основе ПЛИС.
Рис. 28. Схема устройства автоматического выбора частоты дискретизации.
7.4.1. Принцип работы устройства.
Генератор опорной частоты 200 МГц формирует максимальную частоту дискретизации, с которой информация с измерительного счетчика (на схеме не показан) выдается в память. Делитель частоты ДЧ формирует дополнительные частоты дискретизации, а мультиплексор МХ определяет, какая частота дискретизации будет выбрана. Он выдает рабочую частоту дискретизации с коэффициентом деления Ki и вспомогательную частоту , которая поступает на вход разрешения счета Е (при лог. «1» счет разрешен, при лог. «0» счет запрещен) счетчика Сч 1, т.е. формируется временное окно . Также вспомогательная частота по спаду сбрасывает счетчик Сч 1.
Код, накопленный счетчиком Сч 1 за время при входной частоте , будет равен . На всех диапазонах, кроме последнего, эта величина равна 100. Минимальная величина, которую может накопить счетчик – 10.
Счетчик Сч 1 считает импульсы на входе С только при наличии логической 1 на входе разрешения счета Е. Если измеряемая частота находится в текущем диапазоне , то и код будет находиться в диапазоне от 10 до 100. Если произойдет переполнение счетчика и на выходе переполнения OV установится уровень лог. «1», то это означает, что выбранная частота дискретизации недостаточна, и необходимо переключиться на более высокую частоту. Если код накопленный счетчиком будет меньше 10, то это означает, что частота дискретизации слишком мала, и необходимо переключиться на более низкую частоту.
Однако в реальных условиях, когда есть влияние помех (колебания температуры, атмосферного давления, влажности воздуха, неинформативные вибрации, воздействие внешних э/м полей), данная схема не будет работать корректно. Помехи могут вызвать случайные выбросы, которые будут зафиксированы счетчиком Сч 1, т.е. не произойдет переключения на более низкую частоту и мы не получим положительного эффекта ФНЧ.
Для уменьшения влияния шумов на принятие решения о выборе частоты дискретизации, я дополнил схему устройством усреднения, построенном на сдвигающем регистре SHFTZ, сумматоре Сумм, регистре RG, логическом элементе &, счетчике Сч 2 и компараторе кода <10.
Устройство усреднения тактируется i-1ой опорной частотой дискретизации . Код, полученный со счетчика Сч 1, поступает в сдвиговый регистр, где делится на величину посредством сдвига вправо на , где Ш – оценка уровня внешних шумов (задается пользователем из определенного диапазона), Ш – целое число. Далее код поступает в сумматор, где складывается с предыдущим кодом и, таким образом, за итераций получим средний код:
Количество итераций ограничивается с помощью счетчика Сч2, в который по входу D записывается код .
Затем производится оценка усредненного кода компаратором кода <10. Если набралось не более 10 импульсов, то можно уверенно говорить о том, что это влияние шума при выбранном пользователем уровне фильтрации шумов и можно снизить частоту дискретизации. Если количество импульсов находится в диапазоне 10-99, то это означает, что верхняя частота сигнала согласуется с выбранной частотой дискретизации.
Рис. 29. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства.
Отмечу, что, на мой взгляд, настройка устройства усреднения требует наличия экспериментальных данных (характерные для метода измерения спектральные характеристики шумов). Это позволит лучше оптимизировать границы диапазонов, и, что еще важнее, величину Ш, характеризующую уровень шумов.
Также предполагается возможность пользователя самостоятельно задать величину частоты дискретизации. Для этого микроконтроллер записывает в счетчик диапазонов Сч3 по входу D код выбранной частоты дискретизации.
Код выбранной текущей частоты дискретизации 3х разрядный и передается в модуль памяти вместе с результатом измерения дистанции.
7.4.2. Реализация устройства.
Данный модуль реализуется на логических элементах. Его можно реализовать на отдельных логических микросхемах, что значительно усложнит устройство (проблемы с энергопотреблением, охлаждением, технологичность), или с помощью программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). ПЛИС позволит не только сделать устройство более компактным и энергоэффективным, но и позволит с запасом реализовать заданное быстродействие (100 МГц). К тому же, разработанная параметризованная программа позволит реализовывать устройство на различных ПЛИС, т.е. можно будет реализовать серию устройств с различными возможностями по быстродействию, диапазонами частот дискретизации, энергопотребления.
Я решил использовать ПЛИС фирмы Altera, поэтому программу буду реализовывать на языке AHDL.
Приведенная выше (рис.29) схема практически полностью копирует обозначения, которые будут использованы при программной реализации схемы.
Делитель частоты построен из последовательно соединенных делителей частоты на 10. Схема и временные диаграммы одного делителя на 10 приведена на рис.30.
Рис. 30. Схема делителя частоты на 10, реализованного на дискретных компонентах.
Реализация на ПЛИС фирмы Altera будет выглядеть несколько по-другому, поскольку встроенные примитивы триггеров имеют инвертированные входы установки единицы PRN и входы установки нуля CLRN, а также не имеют инвертированных информационных выходов Q.
Соединяя последовательно такие делители, можно получить коэффициенты деления 10, 100, 1000 и так далее. Если подавать на вход схемы делителя максимальную частоту дискретизации, то на остальных выходах можно будет отмасштабированные частоты дискретизации.
8.Разработка модуля расчета поправок по температуре.
8.1. Контактные технологии термометрии
Измерение температуры — один из наиболее распространенных видов измерений в нашей жизни. Каждое утро мы смотрим на термометр за окном, не задумываясь, как он работает, а заболев, пользуемся медицинским термометром.
Наиболее просто измерения температуры реализуются в области умеренных температур в газообразных и жидких средах при стационарных температурах. Измерение температуры поверхности объектов существенно сложнее, чаще не столько в смысле практической реализации, сколько в плане получения достоверных результатов. Непросто измерить и быстро меняющуюся температуру. Сложными являются измерения в области либо крайне низких, либо сверхвысоких температур, и измерения температуры с высокой точностью.
Вся термометрия основана на изменении того или иного свойства вещества с изменением температуры. Многообразие этих свойств предполагает и многообразие способов измерения температуры. Свойство вещества изменять свой объем с изменением температуры и основанный на этом эффекте жидкостный термометр знакомы каждому со школьных лет. О ядерном квадрупольном резонансном термометре знает только узкий круг специалистов.
Для удобства воспроизведения температурной шкалы используется Международная практическая температурная шкала (МПТШ), основанная на нескольких постоянных и воспроизводимых температурах фазовых равновесий — реперных точках, которым присвоены определенные числовые значения, явившиеся результатом проведения множества измерений. Первая МПТШ была принята в 1928 году, затем неоднократно уточнялась. О сложностях, встретившихся при этом, в том числе и о сложности измерения температуры с высокой точностью, говорит, к примеру, тот факт, что разночтения между МПТШ-68 и МПТШ-48 в области высоких температур достигают нескольких градусов. В настоящее время действует МПТШ-90 (ITS-90), включающая в себя семнадцать реперных точек в диапазоне температур от –270,15 °С до +1084,62 °С.
Для применения в технике удобны способы измерения температуры, в которых температура преобразуется в электрический сигнал того или иного вида. Далее мы рассмотрим наиболее употребительные из этих способов и используемые при этом физические эффекты в применении к контактному измерению температуры, когда первичный преобразователь находится в непосредственном контакте с объектом измерения.
Выбор первичного преобразователя и конкретная конструктивная реализация устройства для измерения температуры определяются требуемыми метрологическими характеристиками и условиями эксплуатации, такими как:
диапазон измеряемых температур;
максимально допустимая погрешность измерения;
состав и свойства измеряемой среды;
долговременная стабильность;
тепловая инерционность;
срок службы;
межповерочный интервал;
механические воздействия, как на первичный преобразователь, так и на иные составные части устройства;
диапазон рабочих температур вторичных приборов;
расстояние между первичным преобразователем и вторичными приборами;
электромагнитная обстановка в предполагаемом месте применения.
8.2. Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротивления).
Эти термины исторически закрепились за измерительными преобразователями на основе терморезистивного эффекта, изготовленными из чистых металлов, имеющих положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Металлы имеют достаточно простую зависимость удельного сопротивления от температуры, легко описываемую аналитически. Массовое распространение получили термопреобразователи сопротивления (ТС) на основе платины, меди и никеля, характеристики которых приведены в таблице 1. Зависимость сопротивления ТС от температуры описывается номинальными статическими характеристиками (НСХ), полученными статистической обработкой результатов многократных измерений, проведенных в разных странах. НСХ и аналитические зависимости сопротивления от температуры для платиновых, медных и никелевых ТС приведены в [5].
Таблица 2. Характеристики термопреобразователей сопротивления
Платиновые ТС имеют широкий диапазон рабочих температур и высокую стабильность характеристик, что позволяет использовать образцовые платиновые ТС в качестве эталонов при калибровке и проверке измерительных преобразователей всех других типов. Медные ТС имеют линейную зависимость сопротивления от температуры, однако, наряду с никелевыми, имеют существенно более узкий температурный диапазон и худшую стабильность из-за невысокой стойкости к окислению. Термопреобразователи, предназначенные для применения в сложных условиях эксплуатации, как правило, имеют защитную арматуру и относительно большие размеры и большей частью изготавливаются по традиционной технологии с проволочным чувствительным элементом.
Сведения о большинстве отечественных изготовителях первичных преобразователей и датчиков температуры на их основе можно найти на сайте www.eworld.ru/support/sgsns.htm.
Фирмами Heraeus Sensor Technology, Honeywell выпускается большая номенклатура платиновых тонкопленочных ТС, в том числе и миниатюрных, характеристики которых представлены в таблице 2.
Таблица 3. Платиновые термопреобразователи сопротивления
Из курса электротехники известны двухпроводная и четырехпроводная схемы измерения сопротивления. В практике использования термопреобразователей сопротивления наиболее распространена трехпроводная схема подключения. В случае удаленного размещения первичного преобразователя сопротивление подключающих проводов и его изменение с изменением температуры окружающей среды вносят неконтролируемую дополнительную погрешность.
8.3. Модуль для измерения температуры среды и объекта измерений.
Одной из важнейших характеристик интерференционных методов измерения параметров вибрации является высокая чувствительность порядка длины волны света. Однако, чтобы действительно реализовать такую чувствительность, необходимо учитывать такие влияющие факторы, как колебания температуры окружающей среды, атмосферного давления и влажности. Эти параметры оказывают самое разностороннее влияние на результаты измерения. Так, в первую очередь от характеристик атмосферы зависит показатель преломления n, который определяет величину длины волны света λ при распространении в воздушной среде
Где – скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, – частота излучения лазера.
Зависимость показателя преломления от температуры T, давления P и влажности выражается эмпирическим законом Эдлена
Отсюда можно получить зависимости, описывающие изменение показателя преломления при изменении влияющего параметра на единицу при нормальных условиях (T = 293 K, P = 1000 гПа,
Очевидно, что в первую очередь необходимо отслеживать изменения температуры и атмосферного давления. Необходимо отметить, что важно измерять не только изменение температуры воздуха, но и колебания температуры поверхности, на которой устанавливается интерферометр, поскольку измерительная установка «почувствует» изменение своего положения из-за температурного колебания размеров поверхности. По этой же причине, в некоторых случаях также необходимо отслеживать колебания температуры объекта измерения.
Поскольку влияние температуры наиболее существенно, необходимо также разработать измеритель температуры, обладающий достаточной чувствительностью. Этот измеритель следует выполнить в виде отдельного модуля, который будет передавать данные по беспроводному интерфейсу на измерительную установку. Конструкция модуля должна быть максимально универсальна, чтобы ее можно было легко перестроить для измерения атмосферного давления и влажности.
Структурная схема канала измерения температуры
Терморезистор преобразует измеряемую температуру в электрическое сопротивление, которое посредством канала нормализации преобразуется в напряжение, соответствующее входному диапазону АЦП. Аналого-цифровой преобразователь двухканальный и измеряет не только величину напряжения на терморезисторе, но и величину напряжения на батарее питания, что позволяет контролировать энергопотребление модуля.
Преобразованные в цифровой код величины передаются на контроллер интерфейса, который управляет передачей данных по беспроводному интерфейсу. Контроллер управляет АЦП (подает на него тактовую частоту, переключает каналы), а также осуществляет управление энергопотреблением, что необходимо для эффективного расхода заряда батареи источника питания.
Посредством контроллера интерфейса данные о температуре передаются по беспроводному каналу связи на контроллер измерителя параметров вибрации, где уже высчитывается поправка. Важно отметить, что необходимо согласовать размещение в модуле памяти данных о вибрации с данными, полученными из канала коррекции температуры. То есть для коррекции измеренных в момент времени t параметров вибрации необходимо использовать величину температуры, полученную в тот же самый момент времени t. Однако температура обычно изменяется довольно медленно, поэтому частота дискретизации температуры может быть относительно небольшой (не более 1 кГц). Это позволит уменьшить требования по быстродействию основного микроконтроллера, сократить энергопотребления модуля измерения температуры, а также сэкономить пространство памяти.
Рабочий диапазон терморезистора должен соответствовать реально возможному диапазону температур (0 – 40 0С), т.е. быть адекватным измеряемой величине. Также необходимо обеспечить высокую степень точности измерения температуры, чтобы вычисленная поправка была как можно более точной, поэтому следует выбирать терморезистор с НСХ класса А. Также, желательно, чтобы характеристики терморезистора «не уплывали» со временем. На мой взгляд наиболее подходящим будет терморезистор Honeywell 700 A 1000 со следующими параметрами: номинальное сопротивление 1000 Ом, НСХ класса А, тепловое сопротивление 0,4 К/мВт, долговременная стабильность 0,04% (1000 ч, 500 0С).
Схема, теоретически позволяющая исключить влияние сопротивления подключающих проводов и его изменения с температурой, приведена на рис. 1. Ток через термопреобразователь сопротивления Rtобеспечивается источником тока на операционном усилителе DA1. Падение напряжения на проводе RL3 усиливается с коэффициентом усиления –2, а затем суммируется с падением напряжения на сумме сопротивлений RL1, Rt и RL3. При равенстве сопротивлений проводов RL1 = RL3 (что просто реализовать практически, отрезав два провода одинаковой длины из одной бухты) выходное напряжение сумматора равно падению напряжения на Rt . Сигнал с выхода сумматора усиливается усилителем с коэффициентом усиления - K. Через резистор R2 в схеме реализована линеаризация характеристики ТС. Такое решение с изменением питания первичного преобразователя часто используется при зависимости его функции преобразования, близкой к квадратичной. На рис. 2 показаны графики нелинейности характеристики платинового ТС в диапазоне температур от 0 до +600 °С без коррекции нелинейности и с коррекцией, построенные по значениям НСХ. Нелинейность передаточной характеристики схемы до коррекции 2,43%, после коррекции — 0,046%. Передаточная характеристика схемы по полезному сигналу описывается выражением:
а оптимальная коррекция нелинейности достигается при сопротивлении резистора R2, определяемом по формуле:
где Rt1, Rt2, Rt3 — сопротивление ТС при нижней, средней и верхней температурах рабочего диапазона температур соответственно. Прибор будет работать в температурном диапазоне 0 – 50 0С, тогда для выбранного терморезистора Rt1=1000 Ом, Rt2=1130 Ом, Rt3=1290 Ом.
Тогда , , К = 0,5.
Рис. 37. Схема подключения ТС, исключающая влияние сопротивления соединительных проводов
Тогда принципиальная схема данного модуля будет выглядеть следующим образом:
8.4. Элементная база
Аналого-цифровой преобразователь
АЦП преобразует величину напряжения, соответствующую измеряемой температуре, в цифровой код, который затем передается на основное устройство для вычисления поправки. АЦП должен обеспечивать достаточную чувствительность, не хуже чувствительности собственно датчика. Я решил использовать 12-ти разрядный 2-х канальный АЦП AD7887 фирмы Analog Devices. Диапазон напряжений питания 2,7 – 5,5 В, величина опорного напряжения равна величине напряжения питания. Энергопотребление 2мВт, частота тактирования до 2,5 МГц. Вывод данных последовательный, может работать как в одно- так и в двухканальном режимах.
Назначение выводов
CS – вход включения, при логическом нуле АЦП включен, при логической единице АЦП выключен;
VDD – вход напряжения питания;
GND – общий вывод;
AIN1/Vref – аналоговый вход в двухканальном режиме, вход опорного напряжения в одноканальном режиме работы;
SCLK – вход частоты тактирования;
DOUT – выход данных АЦП;
DIN – вход установки режима работы
AIN0 – аналоговый вход.
Микроконтроллер интерфейса.
Компактный микроконтроллер, который должен выполнять следующие функции: прием данных из АЦП, преобразование полученной величины напряжения в код температуры с помощью «зашитой» в контроллер таблицы НСХ терморезистора, передача данных на модуль беспроводного интерфейса. Также микроконтроллер должен осуществлять управлением питанием всех устройств.
ATtiny2313 - 8 битный AVR микроконтроллер с 2 КБ программируемой в системе Flash памяти
Характеристики:
AVR RISC архитектура
AVR - высококачественная и низкопотребляющая RISC архитектура
120 команд, большинство которых выполняется за один тактовый цикл
32 8-ми битных рабочих регистра общего применения
Полностью статическая архитектура
ОЗУ и энергонезависимая память программ и данных
2 КБ самопрограммируемой в системе Flash памяти программы, способной выдержать 10 000 циклов записи/стирания
128 Байт программируемой в системе EEPROM памяти данных, способной выдержать 100 000 циклов записи/стирания
128 Байт встроенной SRAM памяти (статическое ОЗУ)
Программируемая защита от считывания Flash памяти программы и EEPROM памяти данных
Характеристики периферии
Один 8- разрядный таймер/счетчик с отдельным предделителем
Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предделителем, схемой сравнения, схемой захвата и двумя каналами ШИМ
Встроенный аналоговый компаратор
Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором
USI - универсальный последовательный интерфейс
Полнодуплексный UART
Специальные характеристики микроконтроллера
Встроенный отладчик debugWIRE
Внутрисистемное программирование через SPI порт
Внешние и внутренние источники прерывания
Режимы пониженного потребления Idle, Power-down и Standby
Усовершенствованная схема формирования сброса при включении
Программируемая схема обнаружения кратковременных пропаданий питания
Встроенный откалиброванный генератор
Порты ввода - вывода и корпусное исполнение
18 программируемых линий ввода - вывода
20 выводной PDIP, 20 выводной SOIC и 32 контактный MLF корпуса
Диапазон напряжения питания
от 1.8 до 5.5 В
Рабочая частота
0 - 16 МГц
Потребление
Активный режим:
300 мкА при частоте 1 МГц и напряжении питания 1.8 В
20 мкА при частоте 32 кГц и напряжении питания 1.8 В
Режим пониженного потребления
0.5 мкА при напряжении питания 1.8 В
Блок- схема ATtiny2313:
Расположение выводов ATtiny2313:
Общее описание:
ATtiny2313 - низкопотребляющий 8 битный КМОП микроконтроллер с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATtiny2313 достигает производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц, что позволяет разработчику оптимизировать отношение потребления к производительности.
AVR ядро объединяет богатую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.
ATtiny2313 имеет следующие характеристики: 2 КБ программируемой в системе Flash память программы, 128 байтную EEPROM память данных, 128 байтное SRAM (статическое ОЗУ), 18 линий ввода - вывода общего применения, 32 рабочих регистра общего назначения, однопроводный интерфейс для встроенного отладчика, два гибких таймера/счетчика со схемами сравнения, внутренние и внешние источники прерывания, последовательный программируемый USART, универсальный последовательный интерфейс с детектором стартового условия, программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором и три программно инициализируемых режима пониженного потребления. В режиме Idle останавливается ядро, но ОЗУ, таймеры/счетчики и система прерываний продолжают функционировать. В режиме Power-down регистры сохраняют свое значение, но генератор останавливается, блокируя все функции прибора до следующего прерывания или аппаратного сброса. В Standby режиме задающий генератор работает, в то время как остальная часть прибора бездействует. Это позволяет очень быстро запустить микропроцессор, сохраняя при этом в режиме бездействия мощность.
Прибор изготовлен по высокоплотной энергонезависимой технологии изготовления памяти компании Atmel. Встроенная ISP Flash позволяет перепрограммировать память программы в системе через последовательный SPI интерфейс или обычным программатором энергонезависимой памяти. Объединив в одном кристалле 8- битное RISC ядро с самопрограммирующейся в системе Flash памятью, ATtiny2313 стал мощным микроконтроллером, который дает большую гибкость разработчика микропроцессорных систем.
ATtiny2313 поддерживается различными программными средствами и интегрированными средствами разработки, такими как компиляторы C, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и ознакомительные наборы.
Модуль беспроводного приемо-передатчика.
Для реализации беспроводной связи датчика с основным контроллером используем модуль ММсс1100, построенный на базе приемо-передатчика сс1100 фирмы Texas Instruments. СС1100 характеризуется малым током потребления, высокой степенью интеграции, аппаратной поддержкой пакетной передачи и наличием встроенных буферов FIFO приема и передачи.
Особенности микросхемы СС1100:
Три диапазона рабочих частот 300-348 МГц / 400-464 МГц /800-928 МГц.
Программируемая скорость передачи до 500кбит/с.
Поддержка пакетной передачи с помощью встроенного BaseBand модема.
Программируемая выходная мощность до +10дБм.
Минимальное количество внешних компонентов.
Отдельные буферы FIFO для приема и передачи.
Последовательный интерфейс обмена SPI.
Индикатор уровня сигнала.
Аппаратная поддержка пакетной передачи (выделения синхрослова и адреса, настраиваемая длинна пакета данных, автоматический подсчет контрольной суммы).
Поддержка 3-х видов модуляций FSK, GFSK и MSK.
Автоматическая частотная компенсация для подстройки рабочей частоты.
Индикатор "несущей".
Индикатор свободного канала.
Индикатор качества установленного соединения.
Корпус QFN-20.
MMCC1100-433MHZ – мини-модуль от компании Propox на базе трансивера CC1100 от Texas Instruments. Модуль работает в ISM-диапазоне 433МГц и включает все необходимые компоненты, кроме антенны. Сигналы, необходимые для подключения, в том числе линии питания и антенны, выведены на два штыревых разъема.
Отличительные особенности:
установлен трансивер CC1100: частота 433МГц, чувствительность -110dBm при 1,2 kbps и 1% ошибке пакета, программируемая скорость до 500kbps, программируемая выходная мощность до +10dbm, FIFO-буферы приемника и передатчика по 64 байта, корпус QLP20;
работа на частоте 433МГц;
устойчивая связь на расстоянии до 1000м (обычно не более 350 м);
обмен с управляющим микроконтроллером через интерфейс SPI;
доступное ПО для генерации конфигурационных параметров.
Возможность программного выбора номера радиоканала - до 255 каналов.
Модуль работает в полудуплексном режиме. Модуль может быстро переключаться из состояния приём в состояние передачи, т.е. не может одновременно передавать и получать данные. Это даёт возможность устройствам общаться с несколькими входными потоками данных. Можно отправить данные на выбранном модуле даже на все сразу (поддержка многоадресной рассылки). В качестве антенны можно использовать стандартный кабель длиной около 8 см.
К сожалению, модуль не позволяет работать с 5V напряжением питания. Если мы используем популярных процессоров AVR (например ATMega, ATtiny) необходимо или использовать низковольтные версии (с буквой L в конце названия, например ATMega8L), или добавлять преобразователь напряжения, или отдельный источник питания (3,3 В) для радиомодуля.
Производитель предоставляет специальные программы по созданию конфигурации SmartRF Studio. В дополнение к программе для определения конфигурации.
MMcc1100 модуль не являются простым в использовании. Эти высококачественная система, как цена и качество.
Преимущества:
Недостатки:
Микросхема СС1100 – это однокристальный радиоприемопередатчик, управляемый по интерфейсу для последовательного обмена данными между микросхемами SPI.
Шина SPI организована по принципу 'ведущий-подчиненный'.
Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода/вывода битового потока которого и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI правильнее назвать не протоколом передачи данных, а протоколом обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. Непременным условием передачи данных по шине SPI является генерация сигнала синхронизации шины. Этот сигнал имеет право генерировать только ведущий шины и от этого сигнала полностью зависит работа подчиненного шины.
Табл. 4. Электрические сигналы шины SPI
|
Ведущий шины |
Подчиненный шины |
||||
|
Основное обозначение |
Альтернативное обозначение |
Описание |
Основное обозначение |
Альтернативное обозначение |
Описание |
|
MOSI |
DO, SDO, DOUT |
Выход последовательной передачи данных |
MOSI |
DI, SDI, DIN |
Вход последовательного приема данных |
|
MISO |
DI, SDI, DIN |
Вход последовательного приема данных |
MISO |
DO, SDO, DOUT |
Выход последовательной передачи данных |
|
SCLK |
DCLOCK, CLK, SCK |
Выход синхронизации передачи данных |
SCLK |
DCLOCK, CLK, SCK |
Вход синхронизации приема данных |
|
SS |
CS |
Выход выбора подчиненного (выбор микросхемы) |
SS |
CS |
Вход выбора подчиненного (выбор микросхемы) |
Эта микросхема входит состав недорогих модулей представляет для использования в беспроводных системах стандарта ZigBee/IEEE802.15.4.
Использованная в модуле микросхема включает в себя радиотрансивер и 8-разрядный микроконтроллер семейства в одном корпусе. Подобный модуль может использоваться как законченный блок в составе конечного устройства либо как отладочная плата для отработки радиочастотной части. В радиомодуль можно загружать приложения пользователя, созданные на основе ПО от Freescale - ZigBee-стека «BeeKit» или библиотек MAC/SMAC . При разводке печатной платы и пайке модуля необходимо придерживаться рекомендаций производителя, изложенных в документе «Application for Production». Например, при интеграции модуля в законченное изделие следует предусматривать пятимиллиметровое свободное пространство вокруг керамической антенны, чтобы не ухудшить радиочастотные параметры (дальность связи).
Операционные усилители
OPA188/OPA2188/OPA4188 - это прецизионные ОУ, выполненные по технологии Zero-Drift. Они имеют низкое напряжение смещения 25 мкВ и дрейф 0,085 мкВ/°C, малый ток смещения 850 пА, низкий уровень шума 8,8 нВ/√Гц и полосу пропускания 2 МГц. Напряжение питания ОУ 4,0...36 или ±2...18 В, ток покоя составляет 475 мкА. Пригодны для батарейных приборов с напряжением питания 5 В. OPAx188 имеют защиту входа от электромагнитных помех (EMI).
OPAx188 обеспечивают: лучшую точность и стабильность, на 75% меньший дрейф, чем ближайшие конкуренты; большую чувствительность и высокое разрешение в широком диапазоне частот; минимальный уровень ошибок из-за шумовых токов.
Зависимости напряжения шума от температуры для обычного прецизионного ОУ и OPAx188 показаны на рис. 40.
Рис. 40. Зависимость напряжения смещения от температуры для обычного прецизионного ОУ (красная кривая) и OPAx188 (синяя кривая)
Для разрабатываемого устройства я использую усилитель OPA188, поскольку он имеет наименьшее значение входного тока (не более 2 нА) среди остальных усилителей данной серии.
Схема включения стандартная (2 входа питания, инвертирующий и неинвертирующий информационные входы, один выход), корпус SOT23-5.
8. Элементная база
8.1. Генератор опорной частоты.
Генератор опорной частоты 100МГц – микросхема тактового генератора AD9573, используемая при реализации интерфейса PCI-E. Микросхема имеет три выхода – 33МГц и 100МГц (инверсный и нормальный). Важным достоинством является то, что генератор стабилизируется кварцевым резонатором, благодаря чему достигается высокая стабильность опорной частоты (фазовый шум порядка -138ДБ/Гц). Диапазон напряжений питания -0,3 – 3,5В, выходное напряжение высокого уровня -0,3 – +0,3. Рекомендуемый кварцевый резонатор KYOCERA CX-49G или аналоги.
Рис. 31. Расположение выводов микросхемы AD9573.
Назначение выводов
1, 7 – аналоговая «земля»
2,8 – аналоговое напряжение питания
3 – питание кварцевого резонатора
4, 5 – выводы для подключения кварцевого резонатора
6 – «земля» кварцевого резонатора
9 – «земля» для выхода 33МГц
10 – выход 33МГц
11 – вывод питания для генератора 33МГц
12 – вывод питания для генератора 100МГц
13 – комплементарный выход 100МГц
14 – выход 100МГц
15 – «земля» выхода 100МГц
16 – вход включения/выключения. Микросхема включена при низком логическом уровне на входе
Рекомендуемая схема включения
Рис. 32. Рекомендуемая схема включения AD9573.
Неиспользуемые выводы частоты рекомендуется заземлять через резистор 1кОм.
8.2. Микроконтроллер MSP430F147.
8.2.1. Архитектура
Микроконтроллеры семейства MSP430 содержат 16-разрядное RISC CPU, периферийные модули и гибкую систему тактирования, соединенные через фон-Неймановскую общую адресную шину (MAB) памяти и шину памяти данных (MDB). Объединяя современное CPU с отображаемыми в памяти аналоговыми и цифровыми периферийными устройствами, семейство MSP430 предлагает решения для приложений со смешанными сигналами.
Семейство MSP430 обладает следующими ключевыми особенностями:
Архитектура с ультранизким потреблением, увеличивающая время работы при питании от батарей:
- для сохранности содержимого ОЗУ необходим ток не более 0,1 мкА;
- модуль тактирования реального времени потребляет 0,8 мкА;
- ток потребления при максимальной производительности составляет 250 мкА;
Высококачественная аналоговая периферия для выполнения точных измерений:
- встроенные модули 12-разрядного или 10-разрядного АЦП скоростью 200 ksps;
- имеется температурный датчик и источник опорного напряжения VRef;
- сдвоенный 12-разрядный ЦАП;
- таймеры, управляемые компаратором для измерения резистивных элементов;
- схема слежения (супервизор) за напряжением питания;
16-разрядное RISC CPU, допускающее новые приложения к фрагментам кода:
- большой регистровый файл снимает проблему «узкого файлового горлышка»ii;
- компактное ядро имеет пониженное энергопотребление и стоимость;
- оптимизировано для современного высокоуровневого программирования;
- набор команд состоит из 27 инструкций, поддерживается семь режимов адресации;
- расширенные возможности векторных прерываний;
Возможность внутрисхемного программирования Flash-памяти позволяет гибко изменять и обновлять программный код, производить регистрацию данных.
8.2.2. Гибкая система тактирования
Система тактирования разработана специально для использования в приложениях с питанием от батарей. Вспомогательная низкочастотная система тактирования (ACLK) работает непосредственно от обычного 32 кГц часового кристалла. Модуль ACLK может использоваться в качестве фоновой системы реального времени с функцией самостоятельного «пробуждения». Интегрированный высокоскоростной осциллятор с цифровым управлением (DCO) может быть источником основного тактирования (MCLK) для ЦПУ и высокоскоростных периферийных устройств. Модуль DCO становится активным и стабильным менее чем через 6 мкС после запуска. Решения на основе архитектуры MSP430 позволяют эффективно использовать высокопроизводительное 16-разрядное RISC CPU в очень малые промежутки времени:
низкочастотная вспомогательная система тактирования обеспечивает работу микроконтроллера в режиме ультранизкого потребления мощности;
активизация основного высокоскоростного модуля тактирования позволяет выполнить быструю обработку сигналов.
Рис.33. Архитектура MSP430
8.2.3. Адресное пространство
Семейство MSP430 имеет фон-Ньюмановскую архитектуру с единым адресным пространством для регистров специального назначения (SFR), периферии, ОЗУ и Flash-памяти программ, в соответствии с рис.1.2. Конкретное распределение памяти можно узнать из справочных данных на интересующее устройство. Доступ к программному коду выполняется всегда по четным адресам. Данные могут быть доступны как байты или как слова.
Общий объем адресуемой памяти составляет 64 кБ, с учетом предполагаемого расширения.
Рис. 34. Адресное пространство памяти микроконтроллера серии MSP430
Отличительные особенности:
Напряжение питания 1.8 - 3.6 V
Низкое потребление тока :
- 280 mkA, 1MHz, 2.2 V
- 2.5 mkA, 4 kHz, 2.2 V
Пять режимов снижения потребления тока: LPM0-LPM4 (30 mkA - 0.8 mkA)
Возврат в рабочий режим за 6 mkS
16-Битовая RISC архитектура, время исполнения инструкции - 125 nS
Единственный 32 kHz керамический резонатор, внутренняя системная частота - до 3.3 MHz
16-битовый таймер с 6 регистрами слежения/сравнения
16-битовый таймер с 3 регистрами слежения/сравнения
Встроенный компаратор
12 разрядный АЦП с источником опорного напряжения
Сторожевой таймер ( 16 бит )
Порты ввода-вывода : 32 линий
Два аппаратных UART
Последовательное программирование ( JTAG )
Защита программного кода
Серия включает в себя микроконтроллеры :
- MSP430F147: 32 KБайт + 256 байт Flash, 1 КБайт RAM
- MSP430F148: 48 KБайт + 256 байт Flash, 2 КБайт RAM
- MSP430F149: 60 KБайт + 256 байт Flash, 2 КБайт RAM
Корпус: 64 QFP
Рис. 35. Назначение выводов микроконтроллеров серии MSP430F14x.
Все порты ввода-вывода программируемые и помимо назначенных функций, могут свободно настраиваться пользователем.
8.3. Последовательный интерфейс RS-232.
Разрабатываемое устройство должно быть максимально универсальным, а следовательно должна быть возможность настраивать систему управления для работы с самыми разными конфигурациями систем автономного водоснабжения.
Настройка устройства будет производиться с помощью персонального компьютера (настольный ПК, ноутбук или карманный ПК с интерфейсным адаптером) посредством последовательного интерфейса RS-232. Также интерфейс позволит получать информацию о состоянии системы водоснабжения, о текущем давлении в системе, а также о состоянии трубопровода, при подключенных детекторах течи.
Этот интерфейс получил широкое распространение, поскольку он надежен и прост в реализации. Большинство микроконтроллеров имеют встроенные средства, с помощью которых обеспечивается связь с другими устройствами на основе данного интерфейса. Обычно применяется протокол 8-N-1 – 8-разрядные данные без бита четности, один стоповый бит. Проверка на четность не производится, так как современные компьютеры позволяют осуществить достаточно надежную передачу данных на приемлемых скоростях. Согласно стандарту на интерфейс RS-232, по исполняемым функциям различают два типа оборудования: оконечное оборудование обработки данных (модем) (DTE) и оборудование передачи данных (DCE). Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем для подключения кабеля RS-232. Назначение контактов разъема приведено в таблице 3.
Таблица 1. Назначение контактов разъема DB9P.
|
Имя вывода |
Номер (DB25P) |
Номер (DB9P) |
Направление |
|
TxD |
2 |
3 |
Вход |
|
RxD |
3 |
2 |
Выход |
|
GND |
7 |
5 |
|
|
RTS (запрос на пересылку) |
4 |
7 |
Выход |
|
CTS (инициирование пересылки) |
5 |
8 |
Вход |
|
DTR (готовность терминала |
20 |
4 |
Выход |
|
DSR (готовность модема) |
6 |
6 |
Вход |
|
Ri (индикация сигнала вызова) |
22 |
9 |
Вход |
|
DCD (обнар. сигнала несущей) |
8 |
1 |
Вход |
Назначение контактов следующее
FG – защитное заземление (экран).
TxD – данные, передаваемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная).
RxD – данные, принимаемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная).
RTS – сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.
CTS – сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи. Говорит о готовности приемника.
DSR – готовность данных. Используется для задания режима модема.
SG – сигнальное заземление, нулевой провод.
DCD – обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала).
DTR – готовность выходных данных.
RI – индикатор вызова. Говорит о приеме модемом вызова по телефонной сети.
Общий провод этого интерфейса ни при каких обстоятельствах не должен соединяться с корпусом устройства, чтобы избежать протекания значительных токов, которые приводят к смещению напряжений и препятствуют правильному считыванию поступающих данных.
Наиболее часто используется трех или четырехпроводная связь (для двунаправленной передачи). Схема соединения для четырехпроводной линии связи показана на рис. 26.
Рис. 36. Схема соединения для четырехпроводной линии связи RS-232.
Проверка того, что коммуникационный кабель вставлен в разъем, и имитация сигналов подтверждения обеспечиваются простым замыканием двух пар линий: DTR (готовность DTE к работе) и DSR (готовность DCE к работе), а также RTS (запрос на передачу) и CTS (готовность DCE к приему данных). Так как линии запроса/подтверждения соединены, то сигналы подтверждения к готовности приема данных вырабатываются автоматически, простым дублированием сигналов запроса.
Для реализации интерфейса RS-232 удобнее всего использовать 9-контактный разъем и стандартный кабель типа экранированная многожильная витая пара. Возникает необходимость использования дополнительных аппаратных средств, с помощью которых на передающей стороне уровни сигналов, вырабатываемые в микроконтроллере, переводятся в уровни интерфейса, а на приемной стороне осуществляется обратное преобразование.
Сигналы после прохождения по кабелю ослабляются и искажаются. Ослабление растет с увеличением длины кабеля. Этот эффект сильно связан с электрической емкостью кабеля. По стандарту максимальная нагрузочная емкость составляет 2500 пФ.
Для преобразования логических уровней в уровни интерфейса RS-232 я выбрал микросхему MAX-232A фирмы MAXIM, поскольку данная микросхема имеет такое же напряжение питания, как и микроконтроллер. Внешний вид микросхемы а также рекомендованная схема включения представлены на рис 27.
Рис.37. Расположение выводов и схема включения микросхемы МАХ232А.
MAX-232A – коммуникационная интегральная микросхема интерфейса RS-232 с питанием 3 – 5,5 В с возможностью передачи данных на скорости 3Мб/с, гибкой схемой трансляции логических уровней напряжения и улучшенной защитой от электростатического разряда. Все выходы передатчика и входы приемника имеют защиту 15 КВ при разряде через воздушный зазор и 8 КВ для разряда при контакте, а также 15 КВ при касании человека. MAX-232A включает один приемник и один передатчик. Передатчик имеет выходной передающий каскад с малым падением напряжение, что обеспечивает полноценную производительную работу интерфейса RS-232 при источнике питания 3 – 5,5 В. Схема подкачки заряда включает 4 внешних компактных конденсатора номиналом 0,1 мкФ. Схема автоматически переходит в режим низкого энергопотребления при отключении интерфейсного кабеля RS-232, а также при отсутствии активности на входах приемника или выходах передатчика схемы в течение времени более 30 секунд.
8.4. Компараторы.
В устройстве будет применен сдвоенный компаратор AD8612 фирмы AnalogDevice. Это быстродействующие (задержка распространения 5 нс, максимальная входная частота 100 МГц) точные компараторы, предназначенные для применения в измерительных устройствах (быстродействующие АЦП, фазовые детекторы, детектор нуля), устройствах связи и модулях тактирования.Также есть встроенная защелка.
Основные характеристики:
Напряжение питания 2,5 – 5 В
Максимальное входное напряжение – до 4В
Минимальное напряжение лог. единицы – 2,2 В
Максимальное напряжение лог. нуля – 0,4 В
Рабочий диапазон температур – -40…+85 0С
Входная емкость – 3пФ
Максимальный выходной ток без потери производительности – 10мА
Расположение выводов и их назначение
Рис. 38. Расположение выводов микросхемы AD8612
QA – неинвертирующий выход компаратора А
– инвертирущий выход компаратора А
GND – общий вывод
LEA – включение защелки компаратора А
V- - отрицательное напряжение питания
INA- - инвертирующий вход компаратора А
INA+ - неинвертирующий вход компаратора А
QB – неинвертированный выход компаратора В
– инвертированный выход компаратора В
GND – общий вывод
LEB – включение защелки компаратора В
V+ - положительное напряжение питания
INB- - инвертирующий вход компаратора В
INB+ - неинвертирующий вход компаратора В
Рекомендуется установить конденсатор 1мкФ между каждым выводом питания и «землей», а параллельно ему, максимально близко к корпусу устройства, второй керамический конденсатор 10нФ
Также рекомендуется подключать к выходу напряжение уровня логической «1» через подтягивающий резистор 500 – 2000 Ом.
8.5. Дифференциальный усилитель.
Для реализации схемы включения фотодиода с максимально высоким коэффициентом подавления синфазной помехи необходимо использовать дифференциальный усилитель.
Я использую сдвоенный (поскольку есть 2 канала фотодиодов) дифференциальный усилитель AD4940-2. Это быстродействующий ( до 260 МГц) малошумящий усилитель с малым энергопотреблением. Рекомендован для применения во входных цепях высокоточных сигма-дельта АЦП (до 16 разрядов).
Встроенные линии, для подключения обратной связи, позволяют подавлять высшие гармоники шума устройства. Параметры усиления конфигурируются с помощью 4х резисторов на один усилитель.
Основные характеристики устройства:
Входной шум по напряжению – 3,9нВ/
Входной шум по току – 0,81пА/
Подавление шума второй/третьей гармоники - -102/-96 дБ (при основной частоте 1 МГц)
Дрейф напряжения – 1,2 мкВ/0С
Входное дифференциальное сопротивление – 33 кОм
Входное общее сопротивление – 50 Мом
Входная емкость – 1 пФ
Диапазон напряжений питания – 3 – 6 В
Потребление тока одним усилителем – 1,38 мА
Расположение и назначение выводов:
Рис. 39. Расположение выводов микросхемы AD4940-2
-IN1 – отрицательный вход суммирования усилителя 1
+FB1 – вывод обратной связи положительного входа усилителя 1
+Vs1 – положительное питание усилителя 1
+Vs1 – положительное питание усилителя 1
–FB2 – вывод обратной связи отрицательного входа усилителя 2
+IN2 – положительный вход суммирования усилителя 2
–IN2 – отрицательный вход суммирования усилителя 2
+FB2 – вывод обратной связи положительного входа усилителя 2
+Vs2 – положительное питание усилителя 2
+Vs2 – положительное питание усилителя 2
Vocm2 – общий вход напряжений усилителя 2
+OUT2 – положительный выход напряжения усилителя 2
–OUT2 – отрицательный выход напряжения усилителя 2
– вход выключения питания усилителя 2 (низкий уровень - лог. «1»)
–Vs2 – отрицательное напряжения питания усилителя 2
–Vs2– отрицательное напряжения питания усилителя 2
Vocm1 – общий выход напряжения усилителя 1
+OUT1 – положительный выход усилителя 1
–OUT1 – отрицательный выход усилителя 1
– вход выключения питания усилителя 1 (низкий уровень – лог. «1»)
-Vs1 – отрицательное напряжение питания усилителя 1
-Vs1 – отрицательное напряжение питания усилителя 1
-FB1 – вывод обратной связи отрицательного входа усилителя 1
+IN1 – положительный вход суммирования усилителя 1.
Рис. 40. Рекомендуемое включение усилителя с единичным усилением и согласованием нагрузки на входе.
Здесь происходит согласованием по нагрузке с источником напряжения 2 В (внутреннее сопротивление 50 Ом), коэффициент усиления – 1.
8.6. Счетверенный операционный усилитель AD8044
Быстродействующий операционный усилитель предназначенный для обработки видео-сигнала, применения в ультразвуковых системах, а также в потребительской аппаратуре общего назначения
Характеристики:
Частота единичного усиления – 160 МГц
Напряжение питания - 5В
Гармонические искажения – -68 дБ
Входной шум по напряжению – 16нВ/
Входной шум по току – 850пА/
Дифференциальная ошибка по усилению – 0,04%
Входное сопротивление – 225 кОм
Входная емкость – 1,6 пФ
Расположение выводов
Рис. 41. Расположение выводов микросхемы AD8044.
Заключение.
В результате была разработана цифровая система, предназначенная для приема, сбора и анализа сигналов с лазерного интерферометра. Основное назначение системы – измерение линейных перемещений, а также измерение параметров вибрации.
Разработанная система позволяет анализировать сигналы с частотой дискретизации до 100 МГц (максимальная анализируемая виброскорость до 6,35 м/с), а также линейные перемещения на расстояние до 20мм. Система автоматически, в зависимости от скорости изменения входного сигнала (частоты смены минимумов/максимумов интерференции) выбирает частоту дискретизации (от 100 МГц до 10 кГц). Есть встроенный модуль памяти на 65536 слов. Каждое «слово» содержит в себе – текущий код перемещения, текущую частоту дискретизации, направление.
Также разработан беспроводной модуль измерения температуры, предназначенный для измерения текущей температуры (объекта, воздуха) и вычисления кода поправки по дальности. Разработанный модуль универсален и на его основе могут быть разработаны устройства для измерения атмосферного давления и влажности воздуха (изменяется только измерительный канал).
Список использованной литературы.
1. Застрогин Ю.Ф. Контоль параметров движения с использованием лазеров: Методы и средства. – М.: Машиностроение, 1981.
2. Застрогин Ю.Ф. Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазер. – М.: Машиностроение, 1986.
3. Прошин Е. М. Адаптивные средства измерения: учеб. Пособие для вузов/ Е.М. Прошин. – Рязань: РГРТУ, 2009.
4. Прошин Е.М. Цифровые измерительные устройства: учеб. пособие/ Е.М. Прошин; Рязанский государственный радиотехнический университет. – Рязань: 2011, 224 с.
5. А. Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях». М.: Бином, 1994г.
6. Герман Шрайбер, «300 схем источников питания», изд. ДМК, Москва, 2000г.
7. http://www.laserportal.ru
8. http://www.vibration.ru
PAGE \* MERGEFORMAT94