Метод уменьшения случайной погрешности магнитострикционных преобразователей перемещений на основе DSP технологий

Вдовин А. Ю. (8atlant8@mail.ru), Радов М. Ю. Астраханский государственный технический университет

Целю данной работы является исследование случайной погрешности магнитострикционных преобразователей перемещений (МПП) с использованием аппарата спектрального анализа и разработка метода ее уменьшения.

Конструкция МПП реализующая непосредственное преобразование на крутильных волнах

[1,2] и осциллограмма поясняющая ее работу представлена на рис. 1а и рис. 16 соответственно.

V Канал А[

Л Канал В

а)б)

Рис 1. Конструкция МПП (а) и осциллограмма формирующихся сигналов (б).

Устройство работает следующим образом: микропроцессор 8 выдает сигнал на формирователь импульса тока записи 6, этот же сигнал опрокидывает выходной триггер формирователя измерительного интервала 7. В магнитострикционном волноводе 1 формируется короткий (около 5 мкс) импульс тока (канал В осциллограммы рис. 1б). В катушке считывания 2 наводятся два сигнала, которые усиливаются усилителем считывания 5. Первый - сигнал электромагнитной наводки от импульса тока записи (канал А осциллограммы рис. 1б, слева), второй - сигнал (канал А осциллограммы рис. 1б, справа) , наведенный в результате прохождения под катушкой ультразвукового импульса (обратный эффект Видемана), который возбуждается под постоянным магнитом 3, связанным с объектом позиционирования, при прохождении по магнитопроводу импульса тока записи (прямой эффект Видемана) и, распространяясь в обе стороны магнитопровода со скоростью около 3000м/с, гасится в демпферах 4. По приходу второго сигнала с усилителя считывания 5 устанавливается выходной триггер формирователя измерительного интервала 7. Таким образом на вход микропроцессора поступает отрицательный импульс, ширина которого равна времени прохождения возбужденной ультразвуковой волны от постоянного магнита 3 до катушки считывания 2. Одновременно со спадом импульса запускаются внутренние счетчики микропроцессора 8, по его фронту они останавливаются.

Случайная погрешность МПП описанной структуры складывается из следующих составляющих:

1.Случайная погрешность обусловленная собственными шумами операционных усилителей электронных узлов, случайными разбросами задержек цифровых микросхем, нестабильностью параметров дискретных элементов и напряжения питания.

2.Случайная погрешность, вызванная флуктуациями ориентации магнитных моментов доменов структуры магнитострикционного материала.

3.Электромагнитными наводками на катушку считывания и вход усилителя считывания в результате воздействия внешних переменных электромагнитных полей.

4.Погрешность квантования аналого-цифрового преобразования.

Основным источником первой составляющей случайной погрешности является блок формирователя измерительного интервала. Это объясняется тем что блоки усилителя считывания и формирователя импульса тока записи имеют простые структуры и малое количество элементов в своем составе (однокаскадная схема усиления по напряжению в первом и импульсный ключ во втором) в отличие от формирователя измерительного интервала который содержит многокаскадные схемы детектирования сигнала и так же его дальнейшего усиления для формирования фронта устанавливающего выходной триггер. Ввиду того, что наименьшей случайной погрешностью обладают МПП в которых второй фронт формируется по главному экстремуму сигнала считывания [2], формирователь измерительного интервала в своем составе имеет дифференциатор на вход которого подается сигнал с выделенным главным экстремумом (в нашем случае - минимумом, два других обычно отсекаются диодом).

Для оценки величины первой составляющей случайной погрешности проведен корреляционный анализ выходной величины формирователя измерительного интервала - числа, равного количеству импульсов внутреннего генератора частотой 10МГц (погрешность дискретизации 100 нс) укладывающихся в измерительный интервал и определяющих это число моментах времени, соответствующих глобальным минимумам сигнала на выходе усилителя считывания. Для этого получены 22 осциллограммы сигнала поступающего на вход формирователя измерительного интервала и зафиксированы соответствующие им числа, накопленные в счетчиках микропроцессора за измерительный интервал времени. С помощью цифрового осциллографа Fluke 199 полученные осциллограммы импортированы в ЭВМ с разрешением 249 точек на развертку экрана. По осциллограммам определены моменты времени, соответствующие глобальному минимуму сигнала. На рис. 2 изображены диаграммы приведенных к одному масштабу относительных значений моментов времени соответствующих экстремумам сигнала на входе формирователя измерительного интервала (сплошная линия) и чисел на выходе счетчиков (пунктирная линия). При этом, содержимое счетчиков изменяется в пределах четырех значений, что при тактовой частоте счетного генератора 10МГц соответствует погрешности ± 200 нс. Разброс моментов времени соответствующих минимуму сигнала несколько меньше и составляет ± 180 нс.

0.15

0.05

-0.05

101214 16IS 20 22

j

Рис. 2 Диаграммы снятых значений минимумов сигнала считывания и состояний счетчиков.

Анализ полученных данных обнаруживает высокую корреляцию между исследуемыми величинами. Рассчитанный выборочный коэффициент корреляции [3]

1

n

Z (х у- х у)

i=0

(1)

где хг,уг, X,у, ах,а - значения данных, их средние значения и дисперсии соответственно;

составляет 0,92. При увеличении выборки он существенно не меняется и остается в пределах 0,910,94. При увеличении частоты счета счетчиков до 15 МГц его значение увеличивается до 0,98. Это позволяет сделать вывод о том, что случайная погрешность электронных узлов весьма мала и, что состояние счетчиков микропроцессора практически целиком обусловлено положением выделенного экстремума сигнала считывания.

Таким образом, основными причинами возникновения случайной погрешности МПП являются флуктуации магнитной ориентации доменов материала волновода и электромагнитные наводки, влияние которых обеспечивает колебание момента времени, соответствующего экстремуму сигнала на выходе усилителя считывания. Вклад погрешности дискретизации на этапе оцифровки измерительного интервала в величину случайной погрешности составляет не более 10% (рис. 2 б). Ее значение можно довести до требуемой величины путем увеличения частоты счета внутренних счетчиков микропроцессора, что легко осуществимо при использовании современных микропроцессоров, а задача исследования случайной погрешности сводится к анализу сигнала получаемого на выходе усилителя считывания.

Наиболее эффективным инструментом для исследования сигнала на выходе усилителя считывания, на взгляд авторов, являются методы спектрального анализа [4].

Полученные экспериментально временные ряды, соответствующие сигналу на выходе усилителя считывания были интерполированы конечным рядом Фурье, максимальное возможное