СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
УДК 621. 317
Н. В. Мясникова, А. П. Панов. Б. В. Цыпин
СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
N. V. Myasnikova, А. P. Panov, В. V. Tsypin
SYSTEM FOR RESEARCH OF CHARACTERISTICS OF SENSORS DYNAMIC CIVIL PRESSURE
Аннотация. Рассмотрена система для исследования статических и динамических характеристик датчиков динамического давления, построенная на базе импульсного калибратора модели 913В02 фирмы PCB Piezotronics. Приведены основные расчетные соотношения для определения амплитудно-частотной характеристики и спектров сигналов с использованием метода Прони.
Abstract. The system constructed on the basis of the PCB Piezotronics 913В02 pulse calibrator for research static and dynamic characteristics of dynamic pressure sensors, is considered. The basic settlement parities for definition of the gain frequency characteristic and a signal spectrum with use of the Prony method.
Ключевые слова: датчик давления, динамические характеристики, функция преобразования, амплитудно-частотная характеристика, спектр сигнала, метод наименьших квадратов Прони, импульсный калибратор.
Key w o r ds: the dynamic pressure sensor, the dynamic characteristics, the transfer function, the gain frequency characteristic, the signal spectrum, the Prony least squares, the pulse calibrator.
Определение статических и в особенности динамических характеристик датчиков переменного давления экспериментальным путем всегда представляло собой достаточно сложную инженерную задачу. Проблемы возникают в связи с необходимостью задания гармонических давлений с изменяющейся в рабочем диапазоне датчика частотой или импульсного воздействия с коротким фронтом нарастания. Для решения этой задачи использована система (рис. 1), построенная на базе импульсного калибратора модели 913В02 фирмы PCB [1], усилителей заряда и цифрового USB осциллографа Handyscope HS3 фирмы TiePie [2] с ноутбуком.
Рис. 1. Импульсный калибратор 913В02 фирмы PCB: 1 - станина; 2 - пистон; 3 - направляющая труба;
4 - эталонный датчик; 5 - калибруемый датчик
2013,№4(6)
33
Импульсный калибратор 913В02 исходно предназначен для прецизионной калибровки датчиков динамического давления методом сравнения (с использованием эталонного турмалинового датчика) [3]. Он состоит из размещенного на станине пистона, на котором расположена направляющая труба. В пистон, заполненный силиконовой жидкостью, устанавливают эталонный и калибруемый датчики. Груз сбрасывается с различной высоты и ударяет по поршню, создавая в пистоне импульсное давление. Импульс давления одновременно действует на оба датчика: эталонный и калибруемый. Выходные сигналы эталонного и испытываемого датчиков, представляющие собой последовательности затухающих импульсов (рис. 2), через усилители заряда поступают на входы осциллографа. Осциллограф производит запись реакции на воздействие образцового и исследуемого датчиков. Далее сравниваются амплитуды реакций датчиков, и рассчитывается чувствительность калибруемого датчика при конкретной амплитуде импульса. Изменяя амплитуду возбуждения, можно также проверить линейность датчика.

—1 —Л-и 1—4—Л




п- '-п *Т"ГТГ
1
Рис. 2. Реакции эталонного и калибруемого датчиков на импульс возбуждения
В калибраторе используется турмалиновый эталонный датчик 136А фирмы РСВ с чувствительностью 3 пКл/бар, динамическим диапазоном 1400 бар, нелинейностью характеристики менее 0,5 %, резонансная частота датчика >1 мГц. Параметры установки: давление 10-1400 бар; время нарастания импульса 3 мс, длительность импульса 5-6 мс; точность калибровки 2 %. Погрешность калибровки датчиков с помощью калибратора модели 913В02 < 2 %.
Новое программное обеспечение для обработки сигналов реализовано на языке Pascal с использованием инструментальной среды Delphi. Программа предусматривает выбор участка для анализа полных динамических характеристик, сглаживание данных, децимацию. Программа является универсальной, так как может использоваться при исследовании с помощью других воздействий - при исследовании датчиков на ударных трубах с газовым или парожидкостным заполнением, с использованием гидравлического удара, обратного пьезоэффекта и др. Его применение позволило при использовании импульсного воздействия одновременно с калибровкой осуществить определение динамических характеристик испытываемого датчика. Так как в системе используется канал с эталонным датчиком, частотный диапазон которого существенно шире, чем у испытуемого, можно считать, что эталонный датчик воспроизводит входное воздействие. Тогда частотная характеристика исследуемого датчика будет определяться по известной формуле
G (f) = ,
X (Я’
где X (f), У (f) - соответственно спектры откликов эталонного x(t) и испытуемого у(:) датчиков.
В области высоких частот спектры обоих сигналов затухают, поэтому необходима регуляризация решения. С этой целью использован простой регуляризирующий оператор, реализующий фильтр низкой частоты:
са (f) = У (у) - 1
х (у) 1 + а(2^)
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
Параметр а подбирается эмпирически на основе использования априорной информации: в области низких частот он практически не вносит искажений, а с ростом частот обеспечивает плавное затухание амплитудно-частотной характеристики.
В программном обеспечении предусмотрено несколько способов определения частотных характеристик. Первый из них основан на использовании классического преобразования Фурье. Второй предусматривает использование метода наименьших квадратов Прони [4], причем метод модифицирован по сравнению с известным.
В методе Прони находят аппроксимацию вида
х(*,) = Е атх,_т = Е АтеатК](2л^+е-) . (1)
т =1 т =1
] (2"/т*+ет )
Вещественный процесс моделируется комплексно-сопряженной парой е}( 1т т ) и
е-І(2гаїті+0т )
Здесь р - порядок модели; Ат, а т, /т, 0т - параметры аппроксимирующих колебаний (соответственно амплитуда колебаний, коэффициент затухания, частота и запаздывание). Параметры ат, /т определяются через решение характеристического уравнения
1+Е аь2 -к=^
к
где г = е( 1 ]ю+а)д.
Затем рассчитываются комплексные амплитуды Ае]^. При этом коэффициенты ат, т = 1...р, находятся с использованием метода наименьших квадратов.
В модифицированном авторами методе для снижения трудоемкости метода Прони и уменьшения порядка аппроксимирующей функции (1) использован способ сжатия и восстановления сигналов [5]. В нем последовательность дискретных значений сигнала хі, і = 1...Ы, разбивают на равные блоки длительностью т, число которых М несколько больше 2р. Проводят численное интегрирование сигнала в каждом блоке и используют полученные интегральные значения х(1),..., х(М) для расчета параметров комплексных экспонент (колебаний) по методу Прони. Еще одной особенностью модифицированного метода является исключение из дальнейшего рассмотрения колебаний с малой относительно остальных амплитудой и колебаний с большим относительно остальных коэффициентом затухания амплитуды. Это позволяет отсеять шумовые компоненты и промахи. Полученные для проинтегрированного сигнала значения параметров колебаний пересчитываются в параметры колебаний, представляющих исходный сигнал. В результате работы программы рассчитываются амплитудно-частотная характеристика в требуемом диапазоне частот, а также частные динамические характеристики: резонансные частоты, добротность (коэффициент затухания). По амплитудно-частотной характеристике по известным соотношениям находят импульсную и переходную характеристики датчика.
Программное обеспечение позволяет также вычислять спектральные характеристики откликов эталонного датчика:
- АР-спектр:
р
Е ак
х (/ )=—т“ ;
1 . ^ -2 гак / N
1+Е ак •е
к=1
параметрический спектр:
х (]Ш ) = Е А
і '
/ а т , ч 2 2
т=1 (ат + ]ю) + ю т
Ю т
Аналогично могут быть вычислены и характеристики испытуемого датчика У (/) и У(ю). Все рассчитанные зависимости отображаются на экране осциллографа в виде графиков и аналитических выражений. На рис. 3 представлен вид экрана осциллографа с результатами
2013,№4(6)
анализа. На верхнем графике отображаются выходные сигналы образцового и исследуемого датчиков. Следующие два графика показывают амплитудный и фазовый спектры сигналов датчиков. Нижняя пара графиков соответствует амплитудной и фазовой частотным характеристикам исследуемого датчика.
В программе обработки результатов сохранены также возможность калибровки датчиков динамического давления методом сравнения и определение их нелинейности. Калибровка может производиться как при сбрасывании груза с различной высоты, т.е. при изменении амплитуды возбуждения, так и при единственном ударе за счет обработки последовательности импульсов реакции.
Таким образом, калибровка датчиков и определение их динамических характеристик могут осуществляться одновременно при существенном сокращении времени, необходимого для испытаний.
Полученные результаты могут использоваться не только для определения характеристик датчика, но и для его диагностирования в процессе производства при наличии статистических данных о влиянии дефектов изготовления и сборки на динамические характеристики и чувствительность [6].
20
10
0
-10
4 г 2
0L
0
1
0.5
0-
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09
Phase Spectrum
0.1
5
0
L_ . . -5 u———^
5000 10000
Frequency (Hz) Amplitude Spectrum
15000
5000 10000
Frequency (Hz) Phase Spectrum
15000
0
-2
w
-4
5000 10000
Frequency (Hz)
15000
5000 10000
Frequency (Hz)
15000
Рис. 3. Окно результатов измерений: верхний график - реакции образцового и испытываемого датчиков на импульс возбуждения; средние графики - амплитудные и фазовые спектры сигналов датчиков (для испытываемого справа); нижние графики - амплитудно-частотная (слева) и фазочастотная характеристики испытываемого датчика
35
0
0
0
Список литературы
1. Сайт компании PCB Piezontronics, Inc. - URL: http://www.pcb.com
2. Сайт компании TiePie. - URL: http://www.tiepie.com/en
3. URL: http://www.electronics.rU/files/article_pdf/0/article_331_476.pdf
4. Марпл.-мл., С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения : пер. с англ. / С. Л. Марпл.-мл. - М. : Мир, 1990. - 256 с.
5. Пат. 2472287 Российская Федерация. Способ и устройство для цифрового сжатия и восстановления сигналов / Дмитриенко А. Г., Мясникова М. Г., Мясникова Н. В., Цыпин Б. В. - БИ, 2013. - 1.
6. Бушуев, О. Ю. Исследование динамических характеристик тензометрического преобразователя давления с целью диагностики его состояния / О. Ю. Бушуев, А. С. Семенов, А. О. Чернявский // Датчики и системы. - 2010. - № 4. - 95 с.
Мясникова Нина Владимировна
доктор технических наук, профессор, кафедра автоматики и телемеханики, Пензенский государственный университет E-mail: urchin_blue@mail.ru
Myasnikova Nina Vladimirovna
doctor of technical sciences, professor, sub-department of automatics and telemechanics,
Penza State University
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
Панов Алексей Павлович
кандидат технических наук, ведущий программист, кафедра автоматики и телемеханики, Пензенский государственный университет E-mail: аvitel@pnzgu.ru
Panov Aleksey Pavlovich
candidate of technical sciences, lead programmer, sub-department of automatics and telemechanics,
Penza State University
Цыпин Борис Вульфович
доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: cypin@yandex.ru
Tsypin Boris Vul'fovich
doctor of technical sciences, professor, sub-department of information and measuring equipment,
Penza State University
36
УДК 621. 317 Мясникова, Н. В.
Система для исследования характеристик датчиков динамического давления | Н. В. Мясникова, А. П. Панов, Б. В. Цыпин || Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2013. -№ 4 (6). - С. 32-36.