корреляционная измерительная система

корреляционная измерительная система ...

ВВЕДЕНИЕ 3
1 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 7
1.2 Классификация ИИС по функциональному назначению 10
1.3 Разновидности ИС 11
1.4 Корреляционные измерительные системы 22
1.5 Корреляционные измерительные системы параллельного действия 24
2. Выбор направления проектирования 28
3 Разработка и расчет принципиальной схемы 33
Погрешности при измерении корреляции 33
3.1 Методические погрешности. 34
3.3 Расчет погрешности АЦП: 36
4 Анализ метрологических характеристик 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37
Список используемой литературы: 38

ВВЕДЕНИЕ

Роль и значение измерительной техники. История развития

Измерительная техника - один из важнейших факторов ускорения научно технического прогресса практически во всех отраслях народного хозяй-ства.
При описании явлений и процессов, а также свойств материальных тел используются различные физические величины, число которых дости-гает нескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственные и вре-менные; механические, акустические, оптические, химические, биологические и др. При этом указанные величины отличаются не только качественно, но и количественно и оцениваются различными числовыми значениями.

способности, что позволяет их использовать для детального анализа
определенных участков спектра.
Системы для раздельного измерения взаимосвязанных величин применяются в следующих случаях:
. исследуемое явление или объект характеризуется множеством независимых друг от друга величин и при наличии селективных
датчиков можно осуществить измерение всех значений
. при независимых, но не селективных датчиках, сигналы на выходе
которых содержат составляющие от нескольких величин, встает
задача выделения каждой измеряемой величины;
. если элементы связаны между собой, то также необходимо
осуществить раздельное измерение величин х.
Наиболее типичные задачи взаимно связанных измерений - измерение
концентрации составляющих многокомпонентных жидких, газовых или твердых смесей или параметров компонентов сложных электронных цепей без
гальванического расчленения.
При раздельном измерении взаимосвязанных величин осуществляется
воздействие на многокомпонентное соединение в целях селекции и измерения
нужного компонента. Для механических и химических соединений существуют
различные методики и средства такого раздельного измерения: масс-
спектрометрия, хроматография, люминесцентный анализ и др.
Системы, измеряющие коэффициенты приближающих многочленов, называются аппроксимирующими (АИС) и предназначены для количественного описания величин, являющихся функциями времени, пространства или другого аргумента, а также их обобщающих параметров, определяемых видом приближающего многочлена.
Информационные операции в АИС выполняются последовательным,
параллельным или смешанным способом. АИС реализуются с разомкнутой или замкнутой информационной обратной связью, в виде аналоговых или цифровых устройств.
При создании и использовании АИС выбирают тип приближающего многочлена и с учетом заданной погрешности аппроксимации определяют порядок функции. Реализация задач АИС требует знания априорных сведений об исходной функции, учета метрологических требований к измерениям и др. При этом в качестве базисных функций могут быть выбраны ряды Фурье, разложения Фурье Уолша, Фурье-Хаара, многочлены Чебышева, Лагранжа, Лежандра, Лагерра и др. К основным областям применения АИС относятся измерение статистических
характеристик случайных процессов и характеристик нелинейных объектов,
сжатие радиотелеметрической информации и информации при анализе
изображений, фильтрация-восстановление функций, генерация сигналов заданной
формы.
Системы автоматического контроля (САК). Системы автоматического
контроля предназначены для контроля технологических процессов, при этом
характер поведения и параметры их известны. В этом случае объект контроля
рассматривается как детерминированный.
Эти системы осуществляют контроль соотношения между текущим
(измеренным) состоянием объекта и установленной "нормой поведения" по
известной математической модели объекта. По результатам обработки
полученной информации выдается суждение о состоянии объектов контроля.
Таким образом, задачей САК является отнесение объекта к одному из возможных качественных состояний, а не получение количественной информации об объекте, что характерно для ИС.
В САК благодаря переходу от измерения абсолютных величин к
относительным (в процентах "нормального" значения) эффективность работы
значительно повышается. Оператор САК при таком способе количественной
оценки получает информацию в единицах, непосредственно характеризующих
уровень опасности в поведении контролируемого объекта (процесса).
Как правило, САК имеют обратную связь, используемую для воздействия на объект контроля. В них внешняя память имеет значительно меньший объем, чем объем памяти ИС, так как обработка и представление информации ведутся в реальном ритме контроля объекта.
Объем априорной информации об объекте контроля в отличие от ИС
достаточен для составления алгоритма контроля и функционирования самой САК, предусматривающего выполнение операций по обработке информации. Алгоритм функционирования САК определяется параметрами объекта контроля. Например, существуют параметры, кратковременное отклонение которых от "нормального" значения может повлечь за собой возникновение аварийной ситуации; кратковременное отклонение других параметров существенно не влияет на нормальный ход процесса и поведение объекта; третья группа параметров используется для расчета технико-экономических показателей (расход сырья, выход основного продукта и т. д.).
По сравнению с ИС эксплуатационные параметры САК более высокие:
длительность непрерывной работы, устойчивость и воздействие промышленных
помех, климатические и механические воздействия.
В настоящее время в основу классификации САК положена общая
классификация ИИС с учетом специфики функций, выполняемых САК.
Системы автоматического контроля могут быть встроенные в объект
контроля и внешние по отношению к нему. Первые преимущественно применяются в сложном радиоэлектронном оборудовании и входят в комплект такого оборудования. Вторые обычно более универсальны.
Системы технической диагностики (СТД). Они относятся к классу ИИС, так как здесь обязательно предполагается выполнение измерительных
преобразований, совокупность которых составляет базу для логической
процедуры диагноза. Цель диагностики - определение класса состояний, к
которому принадлежит состояние обследуемого объекта.
Диагностику следует рассматривать как совокупность множества возможных состояний объекта, множества сигналов, несущих информацию о состоянии объекта, и алгоритмы их сопоставления.
Объектами технической диагностики являются технические системы.
Элементы любого технического объекта обычно могут находиться в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном. Поэтому задачей систем технической диагностики СТД является определение работоспособности элемента и локализация неисправностей.
Основные этапы реализации СТД:
. выделение состояний элементов объекта диагностики контролируемых
величин, сбор необходимых статистических данных, оценка затрат
труда на проверку;
. построение математической модели объекта и разработка программы
проверки объекта;
. построение структуры диагностической системы.
Элементы объекта диагноза, как правило, недоступны для
непосредственного наблюдения, что вызывает необходимость проведения
процедуры диагноза без разрушения объекта. В силу этого в СТД
преимущественно применяются косвенные методы измерения и контроля.
В отличие от ИС и САК система технической диагностики имеет иную
организацию элементов структуры и другой набор используемых во входных
цепях устройств и преобразователей информации. Входящий в состав структуры
СТД набор средств обработки, анализа и представления информации может оказаться значительно более развитым, чем в ИС и САК. В СТД определение состояния объекта осуществляется программными средствами диагностики. При поиске применяется комбинационный или последовательный метод.
При комбинационном поиске выполняется заданное число проверок
независимо от порядка их осуществления. Последовательный поиск связан с
анализом результатов каждой проверки и принятием решения на проведение
последующей проверки. Системы технической диагностики подразделяют на
специализированные и универсальные.
По целевому назначению различают диагностические и прогнозирующие СТД.
Диагностические системы предназначены для установления точного диагноза, т.е. для обнаружения факта неисправности и локализации места неисправности.
Прогнозирующие СТД по результатам проверки в предыдущие моменты времени предсказывают поведение объекта в будущем.
По виду используемых сигналов СТД подразделяют на аналоговые и кодовые.
По характеру диагностики или прогнозирования различают статистические и детерминированные СТД. При статистической оценке объекта решение выносится на основании ряда измерений или проверок сигналов, характеризующих объект.
В детерминированной СТД параметры измерения реального объекта сравниваются с параметрами образцовой системы (в СТД должны храниться образцовые параметры проверяемых узлов). Системы технической диагностики подразделяют также на автоматические и полуавтоматические, а по воздействию на проверяемые объекты они могут быть пассивными и активными. В пассивной СТД результат диагностики представляется на световом табло либо в виде регистрационного документа, т. е. результатом проверки является только
сообщение о неисправности. При активной проверке СТД автоматически
подключает резерв или осуществляет регулирование параметров отдельных
элементов. Конструктивно СТД подразделяют на автономные и встроенные (или
внешние и внутренние).
Системы распознавания образов (СРО). Предназначены для определения
степени соответствия между исследуемым объектом и эталонным образом.
Для задач классификации биологических объектов и дактилоскопических
снимков, опознавания радиосигналов и других создаются специальные системы
распознавания образов. Эти системы осуществляют распознавание образов
через количественное описание признаков, характеризующих данный объект
исследования.
Процесс распознавания реализуется комбинацией устройств обработки и
сравнения обработанного изображения (описания образа) с эталонным образом,
находящимся в устройстве памяти. Распознавание осуществляется по
определенному, заранее выбранному, решающему правилу. При абсолютном
описании образа изображение восстанавливается с заданной точностью, а
относительное описание с набором значений отличительных признаков
(например, спектральных характеристик), не обеспечивая полное
воспроизведение изображения.
Как пример СРО можно привести голографические распознающие системы (PC). В этих системах распознавание изображений осуществляется с
относительно высокой скоростью (от 103 до 106 изображений в секунду
благодаря параллельному анализу голограмм). Голографические PC нашли
широкое применение при поиске химических элементов по спектрам их
поглощения и в навигации при определении положения объекта по наземным
ориентирам. В голографических PC удачно сочетаются высокая
производительность оптических методов сбора и обработка информации с
логическими и вычислительными возможностями ЭВМ.
Телеизмерительные информационные системы (ТИИС). Они отличаются от ранее рассмотренных в основном длиной канала связи. Канал связи является
наиболее дорогой и наименее надежной частью этих систем, поэтому для ТИИС
резко возрастает значение таких вопросов, как надежность передачи
информации.
Телеизмерительные ИИС могут быть одно- или многоканальными. Они предназначаются для измерения параметров сосредоточенных и рассредоточенных объектов. В зависимости от того, какой параметр несущего сигнала
используется для передачи информации, можно выделить ТИИС:
. интенсивности, в которых несущим параметром является значение
тока или напряжения;
. частотные (частотно-импульсные), в которых измеряемый параметр
меняет частоту синусоидальных колебаний или частоту следования импульсов;
. времяимпульсные, в которых несущим параметром является
длительность импульсов; к ним же относятся фазовые системы, в
которых измеряемый параметр меняет фазу синусоидального сигнала
или сдвиг во времени между двумя импульсами;
. кодовые (кодоимпульсные), в которых измеряемая величина
передается какими-либо кодовыми комбинациями.
Системы интенсивности подразделяются на системы тока и системы
напряжения в зависимости от того, какой вид сигнала используется для
информации. Этим системам присущи сравнительно большие погрешности, и они используются при передаче информации на незначительное расстояние.
Частотные ТИИС имеют большие возможности, поскольку в них практически отсутствуют погрешности, обусловленные влиянием линий связи, и возрастает дальность передачи информации по сравнению с системами интенсивности.
Время-импульсные системы по длительности применяемых для передачи импульсов подразделяют на две группы: системы с большим периодом (от 5 до 50 с) и системы с малым периодом (менее десятых долей секунды).
Длиннопериодные системы применяются в основном для измерения медленно меняющихся неэлектрических величин (уровень жидкости, давление газов и др.).
Короткопериодные системы имеют большое быстродействие. Для передачи коротких импульсов требуется большая полоса частот, пропускаемых каналом связи. В силу этого такие системы с проводными линиями связи (ЛС)
используются редко.
В последнее время получили широкое развитие адаптивные ТИИС, в которых алгоритмы работы учитывают изменение измеряемой величины или окружающих условий (воздействий).
Основная цель применения адаптивных ТИИС состоит в исключении
избыточности выдаваемой системой измерительной информации и в сохранении или оптимизации метрологических характеристик (помехоустойчивости, быстродействия, погрешностей) при изменении условий измерительного эксперимента.
В адаптивных ТИИС используются алгоритмы адаптивной дискретизации и могут быть использованы алгоритмы адаптивной аппроксимации.
1.4 Корреляционные измерительные системы
Корреляционная функция – функция, показывающая количественную зависимость между двумя значениями случайного процесса, разделенными интервалом времени, или между двумя разными случайными процессами.
Математическое ожидание корреляционной функции
; .
Если у нас стационарный процесс (его характеристики не изменяются во времени), то его корреляционная функция: . Она не зависит от моментов времени t1 и t2, т.к. процесс стационарный.

t – начало текущего времени.
Если есть два стационарных процесса x(t) и y(t), то взаимнокорреляционная функция:
Свойства корреляционной функции
1. Четная функция. Кх(-)=Кх() – это свойство позволяет сократить количество измерений.
2. Максимальное значение корреляционная функция принимает при =0 и это значение равно дисперсии случайного процесса. max Kx() = Кх(0) = Дх. Поэтому, если исследуемый случайный процесс это напряжение, то размерность будет [В2] = Дх = 2.
3. Корреляционная функция – убывающая. . Чем меньше интервал , тем больше взаимосвязь между двумя значениями и наоборот. Свойство применяется для настройки, калибровки корреляционных систем при =0, значение корреляционной функции должно быть максимальным. Свойство применяют для сокращения количества измерений на корреляционной функции.
Интервал корреляции – значение корреляционной функции начиная с которого корреляционную функцию приравнивают к нулю. 0 – интервал корреляции, где корреляционная функция fmax – максимальная частота в спектре случайного процесса, на практике максимальная рабочая частота.
1.5 Корреляционные измерительные системы параллельного действия
Можно одновременно измерять несколько значений корреляционной функции. Структура для измерения аналоговых сигналов и аналоговая обработка информации. и - отцентрованные значения.
На первом: ,
на втором: ,
на m-ном: ,
т.е. мы сразу получаем m значений взаимной корреляционной функции для x(t) и y(t). Если надо измерить x(t), то этот сигнал подают на оба входа.
Погрешности:
1. Конечное время усреднения – случайная составляющая методической погрешности.
2. Систематическая составляющая. Она возникает из-за того, что корреляционная функция изучается в отдельных точках. Когда по набору отдельных значений будет восстанавливаться корреляционная функция, то возникнет погрешность восстановления.
Применение корреляционных измерительных систем
1. Определение скорости движущихся объектов
2. Определение расстояния до движущихся предметов
3. Помехоустойчивая передача информации
Определение скорости движущихся объектов
Впервые корреляционные измерительные системы применили для определения скорости. Возникла следующая задача: качество проката металла зависит от скорости поката и от стабильности скорости движения. Скорость вращения прокатных валов не совпадает со скоростью движения металла. Нашли следующее решение: лист металла имеет шероховатость и каждом месте они свои.
И – источник излучения
ПР – приемник излучения
Источники и приемники расположены на одинаковом расстоянии d. Источники излучают некоторое излучение – детерминированные колебания. Эти колебания, попадая на шероховатую поверхность рассеиваются. В отраженном сигнале появляется случайная составляющая. Возникает такая же размытость, случайность в задержанном сигнале x(t+). Для определения скорости движения листа металла и  ставят регулируемую линию задержки на время 0 в канале x(t), где сигнал не задержан. Затем стоит перемножитель и усредняющее устройство за время Т. Определяется среднее значение во времени: . После усреднения стоит блок нахождения максимума. Корреляционная функция имеет максимум для аргумента равного нулю, т.е. когда 0 -  = 0. Интервал 0 мы задаем сами, максимальное значение получаем, когда 0=. Скорость находится по формуле: .
Расстояние до объекта
Имеется объект, до которого измеряют расстояние. Приемник и источник располагают в одном месте, чтобы расстояние от объекта до приемника было равно расстоянию от источника до объекта. К – коэффициент ослабления сигнала при движении сигала от источника к объекту исследования и обратно.  - время необходимое для распространения сигнала от источника до объекта или от объекта до приемника. Принцип действия: перемножитель , усреднитель -
- расстояние до объекта. v – скорость распространения сигнала, излучаемого источником в данной среде.
Устройство определения максимума регулирует время задержки, до подбора такого 0, когда на выходе устройства будет максимальное значение. Это будет при 0=2. Предпочтительно применять корреляционную измерительную систему когда имеют место помехи большого уровня. Шум не коррелирован с сигналом и погрешности не возникает. Спектр шумов очень широкий. Если спектр сигнала широкий, то интервал корреляции узкий. Т.к. интервал корреляции обратно пропорционален спектру сигнала. кор=1/fmax.
Помехоустойчивая передача сигнала
Информацию передают в виде шумообразных сигналов.
G – генератор шума. Надо передать цифровую информацию. При передаче «1» передается шум, при передаче «0» шум не передается. На приемной стороне стоят аналогичный генератор шума, перемножитель и усредняющее устройство. Приемная часть – это система, определяющая взаимную корреляционную функцию между сигналом после линии связи и сигналом генерации шума. Шум, который есть в атмосфере не похож на полезный шумовой сигнал и корреляционная функция успешно их разделяет. Эти системы работают, даже когда уровень сигнала помехи в 10 раз больше уровня сигнала.
2. Выбор направления проектирования
Была выбрана корреляционная измерительная система с восьмью входными каналами, организованная на базе контроллера K1881BE1T.
16-РАЗРЯДНЫЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КМОП RISC МИКРОКОНТРОЛЛЕР.
1 Высокопроизводительный микроконтроллер для управляющих систем и цифровой обработки сигналов.
- 16М внешней адресации, расширенный набор последовательных интерфейсов,
- отдельные линии вывода управляющих сигналов,