Помехоустойчивый метод и устройства технического контроля дискретного типа на основе неавтономного генератора хаоса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Патрушева Татьяна Васильевна

• Патрушева Татьяна Васильевна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Патрушева Татьяна Васильевна

Оглавление

Введение

Глава 1. Характеристика проблемы и выбор направления её решения

1.1 Обзор методов подавления помех в приборах контроля

1.2 Методы повышения помехоустойчивости приборов контроля

1.2.1 Перенос спектра полезного сигнала

1.2.2 Метод ШОУ

1.2.3 Автокорреляционный метод

1.2.4 Метод первичной частотной селекции

1.2.5 Метод синхронного детектирования

1.2.6 Корреляционный приёмник

1.2.7 Системы, обеспечивающие неизменный уровень ложных срабатываний

1.3 Обоснование целесообразности разработки приборов контроля дискретного типа на основе генератора хаоса

1.4 Выводы

Глава 2. Теоретическая часть

2.1 Обоснование выбора механизма обнаружения с использованием нелинейной динамической системы

2.2 Исследование МЬС-цепи средствами нелинейной динамики

2.2.1 Общие сведения о хаотической МЬС-цепи

2.2.2 Анализ устойчивости особых точек в фазовом пространстве

2.2.3 Двухпараметрический бифуркационный анализ МЬС-цепи

2.2.4 Однопараметрический бифуркационный анализ МЬС-цепи

2.3 Исследование МЬС-цепи, находящейся под воздействием внешних помех

2.3.1 Построение математической модели для исследования динамики МЬС-цепи, находящейся под воздействием внешних помех

2.3.2 Определение оптимальной амплитуды опорного генератора МЬС-цепи в обнаружителе сигналов

2.3.3 Определение оптимальной амплитуды обнаруживаемого сигнала на входе МЬС-цепи

2.3.4 Обобщение исследований динамики МЬС-цепи, находящейся под действием случайной помехи

2.3.5 Сравнение обнаружителя на основе МЬС-цепи с обнаружителем на основе генератора Дуффинга-Холмса

2.4 Исследование работы обнаружителя на основе МЬС-цепи в условиях нестационарных помех

2.4.1 Исследование работы обнаружителя на основе МЬС-цепи под действием нестационарных аддитивных помех

2.4.2 Исследование работы обнаружителя на основе МЬС-цепи при действии информационного сигнала, снабжённого мультипликативными помехами

2.4.3 Сравнение обнаружителя на основе МЬС-цепи с существующими прототипами

2.5 Анализ факторов, влияющих на возникновение ошибок в обнаружителе на основе генератора хаоса

2.5.1 Нестабильность амплитуды опорного генератора

2.5.2 Нестабильность частоты опорного генератора

2.5.3 Нестабильность параметров электрической схемы генератора хаоса

2.6 Разработка принципов построения приборов контроля на основе ОГХ

2.6.1 Разработка структурной схемы ФЭД с ОГХ

2.6.2 Разработка структурной схемы датчиков на основе частотного варианта ОГХ

2.6.3 Разработка структурной схемы датчиков на основе параметрического варианта ОГХ

2.7 Базовые основы практической реализации обнаружителей на основе генератора хаоса

2.7.1 Вопросы практической реализации генератора хаоса для ОГХ

2.7.2 Вопросы практической реализации детектора вида движения хаоса и порогового устройства

76

в генераторе

2.7.3 Экспериментальное исследование генератора хаоса, находящегося под действием внешних помех

2.8 Выводы по главе

Глава 3. Практическая часть

3.1 Разработка и создание фотоэлектрических приборов с обнаружителем на основе генератора хаоса

3.1.1 Обоснование целесообразности создания фотоэлектрического прибора с обнаружителем на основе генератора хаоса

3.1.1.1 Методы контроля количества изделий в массовом производстве

3.1.1.2 Фотоэлектрические приборы контроля количества изделий в массовом производстве

3.1.1.3 Обоснование выбора лазерного фотоэлектрического датчика для контроля количества изделий при производстве полимеров под давлением

3.1.1.4 Фотоприёмник для фотоэлектрического датчика

3.1.2 Разработка макета лазерного ФЭД с ОГХ

3.1.2.1 Экспериментальное исследование условий работы ФПУ

3.1.2.2 Инженерный расчёт разрабатываемого датчика

3.1.2.3 Практическая реализация макета датчика

3.1.3 Испытание созданного макета прибора для контроля количества производимых изделий в производственных условиях

3.1.4 Разработка макета диффузного фотоэлектрического датчика дискретного типа с обнаружителем на основе генератора хаоса

3.2 Разработка макета датчика дискретного типа с параметрическим вариантом ОГХ

3.2.1 Инженерный расчёт датчика с параметрическим вариантом обнаружителя на основе генератора хаоса

3.2.2 Экспериментальное исследование макета датчика

3.3 Выводы по 3 главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

121

Список литературы

Приложение А

А.1 Блок фотоприёмного устройства

А.2 Блок синусоидального генератора и модулятора светодиода

А.3 Блок генератора хаоса

А.4 Блок детектора

А.5 Блок питания

А.6 Генератор хаоса для макета сигнализатора уровня жидкостей

Приложение Б

Приложение В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Помехоустойчивый метод и устройства технического контроля дискретного типа на основе неавтономного генератора хаоса»

Введение

Актуальность темы исследования. Возрастание потребностей производства, связанных с расширением областей автоматизации и усложнением технологического процесса, ставит новые задачи при практическом применении датчиков. Снижение энергопотребления и стремление к миниатюризации датчиков, используемых в системах автоматизации, робототехнике, медицине и других областях, обуславливают необходимость уменьшения мощности полезного информационного сигнала. С другой стороны, наличие энергоёмких производств, развитие электротранспорта и средств связи являются причиной повышения уровня помех различной природы. Эти помехи затрудняют эксплуатацию приборов контроля и снижают надёжность работы систем контроля в целом, поскольку измерительные сигналы, получаемые в них от первичных измерительных преобразователей, снабжаются сильными помехами.

Для относительно простых случаев, например, в датчиках дискретного типа, предназначенных для обнаружения, регистрации наличия или подсчёта объектов технического контроля, используемые способы повышения помехоустойчивости позволяют уменьшить вероятность возникновения ошибок срабатывания. В тяжёлых условиях эксплуатации, при наличии нестационарных помех, полезный информационный сигнал подвергается действию мультипликативных и аддитивных помех, затрудняя решение задачи повышения помехоустойчивости датчиков.

Возможным решением задачи повышения надёжности работы приборов контроля в условиях воздействия нестационарных помех может служить применение в них блока нелинейного преобразования сигналов, позволяющего обеспечить снижение чувствительности к нестационарным помехам. Такое преобразование может быть осуществлено, например, в нелинейной динамической системе, демонстрирующей хаотическое поведение [100]. Известно, что существуют условия, при которых воздействие случайных сигналов на такие системы практически не изменяет вид установившегося движения в них, а подача детерминированного сигнала, в качестве которого в предлагаемом решении может выступать полезный информационный сигнал, приводит к бифуркации смены устойчивости периодического движения. Это позволит осуществить обнаружение информационного сигнала на фоне помех непосредственно на физическом уровне, а значит, и повысить помехоустойчивость приборов технического контроля.

Данный метод может найти применение в условиях нестационарной освещённости, например, при техническом контроле изделий с использованием фотоэлектрического датчика, при контроле скорости кровотока ультразвуковым датчиком, при контроле уровня кавитирующих жидкостей, при работе датчиков положения в мобильных роботах и в других областях.

Идея работы состоит в использовании свойств генератора хаоса обнаруживать детерминированные сигналы на фоне помех при его функционировании вблизи бифуркационной границы.

Степень разработанности темы. Методы теории нелинейных колебаний в настоящее время активно используются для математического и компьютерного моделирования во многих областях науки. Практическое применение нелинейных динамических систем (генераторов хаоса) в технике наиболее проработано в системах управления, а также для передачи и обработки информации [76].

В настоящее время известны исследования динамики генераторов хаоса, работающих вблизи бифуркационной границы и находящихся под воздействием внешних случайных сигналов [91]. Также известен способ обнаружения периодических сигналов на фоне помех [121] с помощью генератора хаоса. Однако не были определены оптимальные параметры измерительного преобразователя на основе генератора хаоса, не были показаны его преимущества. По этой причине использование генераторов хаоса для получения информационного сигнала в приборах контроля до настоящего времени ещё не было осуществлено.

Цель работы. Разработка помехоустойчивого метода контроля, применимого для обнаружения, регистрации наличия или подсчёта объектов технического контроля в условиях нестационарных помех, и практическая реализация его в датчике с выходным дискретным сигналом на основе неавтономного генератора хаоса.

Задачи диссертационной работы:

1. Выполнить аналитический обзор существующих методов контроля, основанных на реализации различных вариантов обработки измерительных сигналов в датчиках дискретного типа, позволяющих уменьшить вероятности ошибок срабатывания при неблагоприятном отношении сигнал/помеха.

2. Обосновать целесообразность разработки обнаружителя на основе бифуркации смены устойчивости периодического движения в нелинейной динамической системе для датчика дискретного типа, работающего в условиях нестационарных помех.

3. Разработать математическую модель измерительного преобразователя на основе генератора хаоса, осуществить численное моделирование режимов его работы и на основе полученных характеристик выявить оптимальные условия его реализации.

4. Выработать рекомендации по расчету и конструированию измерительных преобразователей на основе генератора хаоса для различных приборов контроля.

5. Разработать и практически реализовать макеты датчиков с использованием обнаружителя на основе генератора хаоса и провести испытания на реальном производстве в условиях наличия нестационарных помех.

Научная новизна работы:

1. Предложена математическая модель измерительного преобразователя на основе неавтономного генератора хаоса Murali-Ьakshmanan-Chua, позволяющего осуществлять обнаружение периодических сигналов под действием нестационарных помех. На основе модели:

- обоснован выбор бифуркационной границы, обеспечивающей наличие касательной бифуркации в генераторе хаоса и отсутствие бистабильности при работе обнаружителя;

- предложен метод формирования выходного сигнала измерительного преобразователя, заключающийся в подсчете числа хаотических выбросов в генераторе хаоса за время обнаружения и математическая модель для него, на основе отрицательного биномиального распределения, позволяющая установить порог принятия решения, обеспечивающий заданные вероятности ложных срабатываний и правильного обнаружения;

- выявлены закономерности взаимосвязи статистики выходного сигнала с дисперсией входной помехи, что позволило обосновать выбор значения амплитуды опорного генератора, обеспечивающий неизменность статистики случайного процесса на выходе обнаружителя при изменении дисперсии входной помехи в пределах трёх порядков.

2. Разработаны принципы построения и метод расчёта помехоустойчивых приборов контроля дискретного типа на основе генератора хаоса Murali-Lakshmanan-Chua, позволяющие уменьшить вероятность ложных срабатываний на порядок в условиях нестационарных помех, в сравнении с существующими аналогами.

Практическая значимость работы.

Разработанный метод технического контроля, основанный на использовании бифуркации смены устойчивости периодического движения в неавтономном генераторе хаоса МигаН-Lakshmanan-Chua, предназначенный для обнаружения детерминированных сигналов на фоне нестационарных помех, позволяет реализовать новые технические решения в области создания устройств контроля дискретного типа, характеризующихся повышенной помехоустойчивостью. Применение устройств данного типа позволит осуществить технический контроль в тяжёлых производственных условиях.

Практическое применение основных научных результатов работы осуществлено в фотоэлектрическом приборе для контроля количества изделий, внедрённом на предприятии производства полимеров под давлением ООО «Унипак» г. Барнаула. Результаты диссертационной

работы используются в учебном процессе кафедры «Информационные технологии» факультета информационных технологий ФГБОУ ВО АлтГТУ при реализации основных образовательных программ.

Объект исследования. Неавтономный генератор хаоса Murali-Ьakshmanan-Chua и обнаружитель детерминированных сигналов на его основе, входящий в состав приборов технического контроля, предназначенных для обнаружения, регистрации наличия или подсчёта объектов технического контроля в условиях нестационарных помех.

Предмет исследований. Закономерности, описывающие бифуркационные процессы смены устойчивости периодического движения в неавтономном генераторе хаоса МигаН-Lakshmanan-Chua и механизм обнаружения детерминированных сигналов на фоне помех в измерительном преобразователе на его основе.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы теории нелинейных колебаний, теории электрических цепей и сигналов, методы теории вероятностей и математической статистики.

Положения, выносимые на защиту, представляют собой элементы предлагаемого помехоустойчивого метода контроля, состоящего из выбора нелинейной динамической системы и задания её параметров, подсчета числа хаотических выбросов за время обнаружения, принятия решения сравнением полученного числа выбросов с заданным порогом, а именно:

1. Результаты математического моделирования неавтономного генератора хаоса Ми-rali-Ьaksmanan-Chua, позволившие обосновать оптимальные значения амплитуды, частоты опорного генератора и бифуркационного параметра системы, обеспечивающие отсутствие бис-табильности и неизменную статистику для числа хаотических выбросов в условиях нестационарных помех.

2. Выходной информативный параметр измерительного преобразователя на основе неавтономного генератора хаоса Murali-Ьakshmanan-Chua, определяемый как число хаотических выбросов за время обнаружения, является дискретной случайной величиной, которая может быть описана моделью на основе отрицательного биномиального распределения.

3. Зависимости, представленные математической моделью обнаружителя на основе неавтономного генератора хаоса Murali-Ьakshmanan-Chua, для среднего и СКО числа хаотических выбросов за время обнаружения от отношения сигнал/помеха, позволяющие определить порог принятия решения, обеспечивающий заданные вероятности ложных срабатываний и правильного обнаружения.

Соответствие научной специальности. Работа соответствует научной специальности 05.11.13 по п.1 - Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов

аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий; по п.3 - Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами; по п. 6. - Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных теоретических данных обеспечивается использованием современных средств компьютерного моделирования. При выполнении экспериментов была использована сертифицированная аппаратура, а обработка экспериментальных данных осуществлялась апробированными методами. Полученные результаты работы не противоречат общефизическим принципам.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международных научно-практических конференциях «Виртуальные и интеллектуальные системы» (г.Барнаул, 2011-2013,2016, 2017гг.), на Международных научно-технических конференциях «Измерение, контроль, информатизация» (г.Барнаул, 2012, 2013, 2017гг.), XI Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике», (Новосибирск, 2012г.). Созданные макеты датчиков экспонировались на Международных выставках научно-технических и инновационных разработок «Измерение. Мир. Человек» (г.Барнаул, 2012, 2013, 2017г.г.) и были удостоены трёх Серебряных медалей.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, из них 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора состоит в обосновании выбора нелинейной динамической системы для реализации обнаружителя, моделировании и анализе полученных зависимостей, установлении оптимальных параметров для обнаружителя на основе генератора хаоса МигаН-Lakshmanan-Chua, проведении экспериментальных исследований и разработке макетов датчиков на его основе. Доля личного участия в написании совместных публикаций составляет не менее 90%.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников, списков сокращений и условных обозначений и приложений. Общий объем работы составляет 1 48 страниц.

Глава 1. Характеристика проблемы и выбор направления её решения 1.1 Обзор методов подавления помех в приборах контроля

В современных условиях развития транспорта, средств связи и энергоёмких производств неизбежным следствием является повышение общего фона загрязнения окружающей среды помехами различной природы. При этом существующие средства контроля далеко не всегда могут обеспечить достоверность измерительной информации из-за того, что измерительный сигнал, получаемый от первичного измерительного преобразователя (ПИП), оказывается снабжённым различными помехами. По этой причине создание всякого прибора контроля предусматривает борьбу с помехами.

Борьба с помехами зависит от факторов, вызывающих проникновение помех в прибор. Необходимо выявление источника помехи, способа проникновения помехи в прибор и, наконец, приёмника помехи со стороны прибора. Следовательно, меры подавления помехи должны быть направлены на источник помехи, элемент связи помехи с прибором и приёмный элемент помехи в приборе [38].

Современная классификация источников помех делит их на три группы: внутренние флуктуации физических систем, внешние помехи искусственного происхождения и возмущения естественного происхождения [38].

Авторы работы [6] выделяют следующие внутренние источники шумов: тепловой шум (Джонсона) присущий всем электрическим сопротивлениям; дробовой шум (Шоттки) связанный с прохождением тока через потенциальный барьер присущий электронным лампам и полупроводникам; контактный шум вызванный флуктуацией проводимости вследствие несовершенства контакта между двумя материалами и являются причиной малоизученных шумов 1Я"; импульсный шум вызванный дефектами в переходе полупроводникового прибора. Следует понимать также, что внутренние источники шумов имеют место не только в узлах обработки измерительных сигналов, но могут также находиться непосредственно в ПИП прибора, например, если чувствительный элемент выполнен из полупроводникового материала.

К числу второстепенных внутренних источников шумов автор работы [38] относит: гальванический процесс, электролитический процесс, трибоэлектрический эффект, микрофонный эффект.

Источники внешних помех искусственного происхождения (индустриальные) авторы работы [22] делят на две группы. В первую группу включены устройства, генерирующие относительно близкие к периодическим высокочастотные колебания. К их числу относятся различного рода высокочастотные установки. Ко второй группе относятся различные устройства, не

работающие в периодическом режиме: системы зажигания автомобильных двигателей, дуговая сварка, газоразрядные устройства, переключающая аппаратура.

Способами проникновения шумов во всякий прибор являются: наводки на соединительные провода, связь через общее сопротивление, воздействие электромагнитных полей [38].

Способы подавления помех, также являющиеся мерами по обеспечению электромагнитной совместимости, представленные в работе [38] запишем в виде короткого списка: экранирование, заземление, балансировка, изоляция, разнесение и ориентация, согласование сопротивлений функциональных блоков между собой, выбор кабеля, частотная и временная селекция.

Применение всего арсенала известных способов подавления помех далеко не всегда гарантирует получение измерительного сигнала, свободного от помех. Скорее можно говорить о некотором компромиссе между сложностью конструкции и достигнутой степенью подавления помех.

В тех условиях, когда все меры подавления помех в создаваемом приборе уже исчерпаны, но при этом получаемый сигнал оказывается слаб, в сравнении с помехами, применяются помехоустойчивые методы обработки сигналов. Наиболее востребованы такие методы в радиолокации и радиосвязи, однако находят своё применение и в приборах контроля. В статистической радиотехнике различают обнаружение сигналов, различение сигналов и оценку параметров сигнала. Наиболее простые технические решения относятся к обнаружению сигналов, они позволяют строить приборы дискретного типа, то есть предназначенные для обнаружения, регистрации наличия или подсчёта продукции, что согласно ГОСТ 16504-81 относится к техническому контролю.

Для создания приборов, обладающих высокой помехоустойчивостью, необходимы априорные сведения о статистических свойствах полезного сигнала и помехи, поэтому выбор вида модуляции информационного сигнала должен соответствовать решаемой задаче. К методам обработки сигналов, улучшающих помехоустойчивость, относятся: метод фильтрации, метод ШОУ, корреляционный метод и др.

1.2 Методы повышения помехоустойчивости приборов контроля 1.2.1 Перенос спектра полезного сигнала

Данный метод применяется, когда частотный диапазон полезного сигнала перекрыт сильной помехой, делающей неэффективной линейную фильтрацию. Метод состоит в модуляции контролируемой величины каким-либо способом и перенесением спектра полезного сигнала в другой частотный диапазон [70]. Информационный сигнал модулируют, а в приёмнике, используя узкополосный частотный фильтр, выделяют необходимую частотную полосу. Фактически, модуляция позволяет перенести частоту измерительного сигнала в область спектра, сво-

бодную от помех. Например, данный подход может быть применен в фотоэлектрических датчиках (ФЭД), где излучаемый свет модулируется генератором с частотой в несколько килогерц, что является эффективным средством борьбы с фоновой засветкой естественным светом или светом люминесцентных ламп. В индуктивных, ёмкостных и ультразвуковых датчиках приближения выбор рабочей частоты также должен быть обусловлен наличием полосы частот, свободной от помех.

1.2.2 Метод ШОУ

Обработка сигнала осуществляется устройством, состоящим из последовательно соединенных широкополосного фильтра, ограничителя и узкополосного фильтра и получило название метод ШОУ [30, 68]. Устройство предназначено для нормирования уровня длинных импульсных помех.

Недостатком устройства ШОУ является то, что, принцип его действия основан на выделении первой гармоники входной аддитивной смеси на выходе широкополосного усилителя при ограничении колебания до меандра, при этом не учитывается возможное изменение интенсивности аддитивной широкополосной помехи и энергии узкополосного сигнала на входе устройства. Применяется, например, для защиты радиолокационных станций от активных импульсных помех.

1.2.3 Автокорреляционный метод

Из теории сигналов известно, что функция автокорреляции шумового сигнала быстро убывает, в то время как для периодического сигнала форма сохраняется, теряется только информация о начальной фазе. Данное свойство может быть использовано для очистки периодических сигналов от шумов. Возможно также выполнение многократной автокорреляции для повышения эффективности преобразования [37]. Данный метод наиболее просто реализуется с применением цифровой обработки сигналов.

1.2.4 Метод первичной частотной селекции

Данный метод является одним из простых средств, позволяющих реализовать сужение полосы пропускания. Возможны варианты, когда полосы частот сигнала и помехи не перекрываются или имеет место перекрытие частот [22].

При осуществлении фильтрации необходимо знать спектральную плотность сигнала и статистические свойства помехи, для того, чтобы была возможность спроектировать фильтр с оптимальными параметрами. Фильтр с прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) позволяет исключать все частоты, расположенные вне зоны спектральной полосы сигнала. Известно, что, например, для пачки прямоугольных радиоимпульсов длительностью Ти, паузой между ними не меньше Ти и синусоидальным заполнением, ширина полосы частот главного

лепестка составит 2/Ги, а для каналов с замиранием эту ширину следует увеличить в 2,5 раза (Рек. МСЭ-Я БМ.1138-2), т.е. необходимая ширина полосы Ви составит:

Ви =5. (11)

'и

При создании оптимального фильтра необходимо учитывать, что реализовать фильтр, который будет оптимальным во всех отношениях, зачастую невозможно.

1.2.5 Метод синхронного детектирования

Метод синхронного детектирования является весьма эффективным средством уменьшения полосы пропускания при обнаружении периодических сигналов.

В синхронном детекторе происходит умножение измерительного сигнала на опорный сигнал той же частоты. В результате перемножения сигналов появляются составляющие суммарной и разностной (в данном случае нулевой) частот. Перенос обнаруживаемого сигнала в область низких частот имеет преимущество в простоте создания узкополосного фильтра. Для эффективной работы требуется сдвиг фаз равный нулю и строгая синхронизация частоты принимаемого сигнала и опорного генератора [33]. Синхронный детектор позволяет реализовать сколь угодно узкий частотный фильтр. Его полоса пропускания определяется параметрами фильтра нижних частот (ФНЧ). Метод синхронного детектирования на примере ФЭД представлен на рисунке 1. 1 . Источник света, освещающий образец, модулируется периодическим сигналом. Фотодиод (ФД) принимает отраженное от поверхности модулированное излучение. Умножение полученного сигнала на сигнал опорного генератора и низкочастотная фильтрация позволяют получить постоянную составляющую полученного сигнала [111].

М Г

*

У П ФНЧ вых

Рисунок 1.1 - Метод синхронного детектирования на примере ФЭД. На схеме условно обозначены: У - усилитель фотоприёмника; М - модулятор светового пучка; Г - опорный генератор (ОГ); П - перемножитель сигналов; ФНЧ - фильтр нижних частот

Схемы, использующие синхронное детектирование применяются, например, в инфракрасных (ИК) датчиках дымовых пожарных извещателей [7]. Обобщающим вариантом синхронного детектора можно считать корреляционный приёмник.

1.2.6 Корреляционный приёмник

Оптимальный обнаружитель представляет из себя устройство для приема сигнала, которое обеспечивает максимум помехоустойчивости для случаев с заданными сигналом и помехами [68]. Оптимальный обнаружитель полностью известного сигнала s(t) должен вычис-

лять взаимокорреляционную функцию э^) и реализации воздействия ^(0, а затем сравнивать полученный результат с некоторым порогом И. Существует два варианта построения оптимального обнаружителя: с помощью согласованного фильтра или корреляционного приёмника [69], представленного на рисунке 1. 2.

Рисунок 1.2 - Корреляционный обнаружитель сигнала с известными параметрами. На рисунке обозначены: П - перемножитель; И - интегратор; ПУ - пороговое устройство

Принимаются следующие гипотезы: Н0 - гипотеза соответствует отсутствию сигнала, а принятое колебание является случайной помехой; Н1 - гипотеза, которой соответствует наличие полезного сигнала в принятом колебании. Принятое колебание включает в себя гаус-совский случайный процесс п(0 и, возможно, детерминированный полезный сигнал 5(0:

= 0-5(0+ п(0, (1.2)

где: 0=1; 0 =0 - при наличии или отсутствии полезного сигнала соответственно. Выходное напряжение интегратора q определяется следующим образом:

ч = ¡0обнл(тт, (1.3)

где Тобн - время обнаружения. В случае, когда q>И принимается решение о наличии сигнала, а при q<И о его отсутствии.

Ошибка первого рода представляет собой случай, когда гипотеза Н0 неверно была отвергнута, в то время, когда обнаруживаемый сигнал отсутствовал. Ошибку первого рода зачастую называют ложным срабатыванием. Ошибка второго рода представляет собой случай, когда гипотеза Н0 неверно была принята, в то время, когда обнаруживаемый сигнал присутствовал. Ошибку второго рода называют ложноотрицательным срабатыванием (то есть пропуском свершившегося события).

Если на входе устройства действует только полезный сигнал, то в результате перемножения его на свою копию и интегрирования, выходной сигнал будет численно равен энергии сигнала. В случае, когда на обнаружитель поступает только помеха, на выходе умножителя получается случайный процесс. На выходе интегратора при этом образуется сигнал, предствляющий медленные случайные колебания вокруг нулевого значения. Если на входе

присутствуют оба сигнала, результат на выходе обнаружителя будет равен сумме результатов раздельного воздействия сигнала и помехи.

Для случая когерентного обнаружителя синусоидального сигнала частотой амплитудой ивх.т на фоне гауссовских помех с дисперсией аВх в ограниченной полосе В, отношение сигнал/помеха на входе обнаружителя двх и на выходе двых запишутся следующим образом [18]:

двх = рв „ 5 Звых = двху2 ' В ' Т0бн, (14)

V 2 '@вх

Если речь идёт об обнаружении на фоне помех с относительной шириной частотной полосы помех у и длительностью периодического сигнала, выраженной через число периодов 2 = 2 п то можно записать:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Патрушева Татьяна Васильевна, 2019 год

// А У

1

4000 6000 еооо 7000 8000 9000 1 10* 1 1 104 12 104 ню4 14 ю4 16 ю4 ИЛк,

Гц

Рисунок 2.45 - Двухпараметрическая бифуркационная диаграмма на плоскости параметров (напряжение-частота). Цифрами обозначены периодические колебания соответствующих периодов 1Т, 2Т и 3Т. Штриховой линией показаны расчётные границы бифуркаций, сплошной и цветом

- экспериментальные

Проведённое сравнение показало полное качественное соответствие численной модели. Наблюдались все основные признаки хаотической системы, а именно: каскад удвоений периода, хаотическое движение, окно периода 3. Был обнаружен эффект затягивания потери устойчивости, наиболее всего проявившийся на границе хаоса и колебаний периода три. Хотя гисте-резисные явления в системе затрудняют обнаружение слабых сигналов, тем не менее, повышают помехоустойчивость за счёт триггерного эффекта. Количественное соответствие численной модели следует признать удовлетворительным, причина расхождений может быть объяснена следующими причинами: использование ферромагнитного сердечника для трансформатора К1, неидеальностью баланса нуля использованных ОУ.

2.7.2 Вопросы практической реализации детектора вида движения в генераторе

хаоса и порогового устройства

Для того, чтобы можно было различать состояния движения в генераторе хаоса необходим детектор состояния. Представленные в параграфе 2.3 исследования опирались на использование подсчёта числа хаотических выбросов за время обнаружения для различения режимов. Хаотические выбросы являются самым заметным критерием хаоса, а, следовательно, их подсчёт и сравнение с заранее заданным порогом должно позволить различить состояние ГХ и принять решение о наличии обнаруживаемого сигнала.

На рисунке 2.12 была представлена модель фазового детектора релейного типа, позволяющая фиксировать перескоки фаз сигнала, идущего от ГХ относительно сигнала ОГ. Для этих целей может быть использован триггер, по переключению логического состояния которого можно зафиксировать перескок фазы. Однако для реализации в малогабаритном датчике было принято решение отказаться от цифровой элементной базы, а схему детектора попытаться упростить, сохранив основную идею.

В параграфе 2.3.4 (таблица 2.4) установлено, что, например, при 7=500 и ^Р=Ю"5, пороговое устройство должно изменить состояние, если за это время произойдёт более Л' = 14 выбро-

к' 14

сов, что составляет — = ^^ = 0,028 от общего числа. Конкретное значение числа выбросов за

время обнаружения можно заменить относительной оценкой заполнения рассматриваемого временного интервала хаотическими выбросами. Из этого можно прийти к выводу, что детектор должен выдавать лишь именно эту оценку. Поскольку, принципиально важный случай соответствует относительно небольшому числу выбросов, то можно говорить о том, что выбросы весьма редки на границе между хаосом и периодическим режимом. Следовательно, их появление будет сопровождаться составляющими с частотами много ниже частоты опорного генератора. Из этих соображений была выработана структурная схема детектора, представленная на рисунке 2.46, а временные диаграммы его работы для случая с частотой ОГ / = 10кГц на рисунках 2.47 - 2.50.

Рисунок 2.46 - Структурная схема детектора хаоса с подключением к пороговому устройству. На рисунке условно обозначены: РФ - режекторный фильтр; ДК - двухуровневый компаратор «окно»; ФНЧ - фильтр нижних частот; ПУ- пороговое устройство

Рисунок 2.47 - Процесс на выходе генератора хаоса

Если сигнал, полученный от ГХ, подвергнуть обработке режекторным фильтром, настроенным на частоту ОГ, то на его выходе можно будет наблюдать непосредственно сами хаотические выбросы по отдельности. Развивая далее эту мысль можно прийти к выводу о необхо-

димости использования низкодобротного режекторного фильтра. Это требуется для того, чтобы можно было наблюдать отдельные хаотические выбросы, которые по длительности будут составлять один период ОГ. Такому условию удовлетворяет пассивный режекторный фильтр -двойной Т-мост, поскольку его добротность составляет лишь 0,25 [26].

Рисунок 2.48 - Хаотические выбросы, выделенные с помощью режекторного фильтра

Дальнейшая обработка предполагает преобразование полученных выбросов в прямоугольный вид. Для этой цели наиболее подходящим является нелинейный преобразователь -

двухуровневый компаратор «окно» [77]. Он преобразует выбросы обоих полярностей в прямо-

1

угольные положительные импульсы амплитудой ии и длительностью Д*:и = 5и - где 5и = 0,7 —

0,9 коэффициент, определяемый настройкой уровней компаратора. Поскольку компаратор настраивается на некоторый уровень относительно нуля, то получаемый прямоугольный импульс будет иметь длительность несколько меньшую, чем период одного колебания. Дополнительно заметим, что режекторный фильтр и компаратор предотвращают непосредственное влияние напряжения внешней флуктуационной помехи на выходной сигнал ОГХ, выделяя исключительно выбросы ГХ.

Рисунок 2.49 - Хаотические выбросы, преобразованные к прямоугольной форме с помощью

двухуровневого компаратора «окно»

Полученные импульсы следует преобразовать к постоянному напряжению, иными словами выделить из них постоянную составляющую. Для этих целей был выбран ФНЧ со следующими параметрами: постоянная времени переходного процесса ТфНЧ должна быть в 3 - 5 раз меньше длительности интервала обнаружения То§н так, чтобы процесс обнаружения был бы непрерывным, не требуя сброса интегратора, как это необходимо в базовом варианте корреля-

ционного обнаружителя. Кроме этого, ФНЧ должен обеспечивать хорошее подавление на частотах выше нуля: это необходимо для уменьшения пульсации выходного напряжения.

Рисунок 2.50 - Временная зависимость для постоянной составляющей, выделенной с помощью

ФНЧ

В качестве компромисса между простотой и характеристикой был выбран трёхзвенный пассивный ФНЧ третьего порядка с постоянной времени ткс каждого из звеньев, даваемой следующей формулой [110]:

тяс — ТФНЧ

Ш-1 — .

3f

(2.24)

В результате, если за 2 периодов ОГ происходит N хаотических выбросов, то на выходе детектора напряжение Цд в установившемся режиме составит:

(2.25)

а напряжение, с которым следует осуществить сравнение в пороговом устройстве и^, в абсолютном значении составит:

к'

Ун — Уи^и^т.

(2.26)

При отсутствии полезного сигнала, ГХ будет выдавать за время, соответствующее 2=500 согласно таблице 2.2 в среднем ^ср=50 выбросов, при условии правильного выбора амплитуды ОГ. Следовательно, начальная настройка амплитуды ОГ может быть осуществлена по выходному напряжению детектора, соответствующему отсутствию сигнала ЦД0, даваемому следующим выражением:

,, ,, N0ср

и до — Уи^и^-^.

(2.27)

Электрическая принципиальная схема детектора приведена в приложении А.

2.7.3 Экспериментальное исследование генератора хаоса, находящегося под

действием внешних помех

Предлагаемый в данной работе обнаружитель на основе генератора хаоса должен быть всесторонне изучен, подтвердив возможность его применения в приборах контроля с дискрет-

ным выходным сигналом. Для этих целей необходимо было воссоздать условия работы обнаружителя в рамках физического эксперимента. Структурная схема эксперимента, приведённая на рисунке 2.51, была составлена на основе схемы ФЭД с отражением от объекта, предложенной в параграфе 2.6.1 на рисунке 2.36. Опорный генератор был заменен лабораторным прибором, а в качестве источника помех был использован низкочастотный генератор шума.

SFG-71013

иог

"2-47

ОГ

ГШ

ПФ

Un

ГХ

Д &

Рисунок 2.51 - Структурная схема экспериментальной установки. Буквами условно обозначены: ПФ - полосовой фильтр, обеспечивающий у = 0,1; ГШ-генератор шума низкочастотный Г2-47; ГХ - генератор хаоса; ОГ - опорный генератор SFG-71013; Д - детектор

Задачей эксперимента ставилось подтвердить способность к обнаружению сигналов на фоне помех с помощью ГХ. В эксперименте проверялись теоретические зависимости, представленные в параграфе 2.3.2 на рисунке 2.13. Элементы принципиальной схемы, приведённой в приложении А, были пересчитаны на частоту ОГ / = 10кГц по формулам (2.23).

В экспериментальной установке использованы следующие приборы: осциллограф АСК-6022, блок питания двухканальный Mastech HY5003-2, генератор шума низкочастотный Г2-47, генератор сигналов синусоидальной формы SFG-71013. Поскольку основное теоретическое исследование опиралось на наличие помехи, сосредоточенной в узкой полосе частот, а генератор Г2-47 на выходе имеет широкую полосу, то получение узкополосной помехи потребовало применения полосового фильтра. Активный полосовой фильтр c многопетлевой обратной связью был реализован на той же плате, что и ГХ и обеспечивал у = 0,1. Все измерения в эксперименте осуществлялись осциллографом (рисунок 2.52). Согласно формуле (2.25) детектор выдаёт косвенную оценку числа хаотических выбросов за время обнаружения. С помощью осциллографа были получены значения: Uu = 7,8В; sH = 0,9. Снималась зависимость напряжения на выходе детектора t/д от напряжения генератора Uor при разных напряжениях помехи Un. Полученные зависимости сведены на рисунке 2.53. Напряжение помехи Un задавалось начиная от 0,05В, однако из-за незначительного влияния столь слабой помехи на работу обнаружителя на рисунке 2.53 зафиксированы значения начиная от 0,1В.

Рисунок 2.52 - Экспериментальная установка для исследования генератора хаоса под внешним

случайным воздействием

Качественный анализ полученных экспериментальных зависимостей показал близкое соответствие с теоретическими зависимостями. Прежде всего, при увеличении синусоидального напряжения Уог, по мере приближения к границе хаоса с периодическим режимом, напряжение на выходе детектора Цд убывает. Крутизна спада напряжения детектора зависит от напряжения помехи £Уп . Большее напряжение помехи приводит к более пологой зависимости. Таким образом, качественное сопоставление экспериментальных данных с теоретическими зависимостями показало высокую степень соответствия.

^»ч 1 >0 1 к** ип=0:1В *** ип=0:2В Э-В 17п=0:ЯВ е«е> ип=о;4в гюе ип=0;5В

М............

■

3 6 3.8 4 42

иог:В

Рисунок 2.53 - Экспериментальные зависимости Цд (выходное напряжение детектора) от ^ог

(напряжение ОГ) при разных напряжениях помехи

Количественный анализ экспериментальных данных предполагал нахождение рабочей точки и0 для напряжения Уог, в которой напряжение на выходе детектора Цд не зависит от на-

пряжения помехи Цп. Существование такой точки было предсказано в параграфе 2.3.2. По графикам на рисунке 2.53 было установлено, что при напряжении Цог — ^о ~ 3,9В зависимости пересекаются почти в одной точке. Само значение ^о не проверялось на соответствие с теоретическим А0=0,08226, поскольку теоретическая модель не учитывала способ введения сигнала в ГХ с помощью взаимоиндуктивной связи. Гораздо важнее было сопоставить напряжение на выходе детектора в этой точке Цд — Цд0 « 0,75В. Подстановка в формулу (2.27) ранее полученных значений ии, 5и и теоретических 2=500; ЫоСр — 50 дало бы выходное напряжение детектора 0,7В, что менее, чем на 10% расходится с экспериментом.

С помощью формулы (2.26) на графике был обозначен уровень напряжения и^, необходимый для принятия решения о наличии или отсутствии сигнала. Экспериментально были получены значения напряжения Цог при которых напряжение Цд становится меньше, чем и^. Считая напряжение Уо — 3,9 В напряжением ОГ в реальном устройстве, все значения выше этого следует расценивать как напряжение полезного сигнала, который требуется обнаружить. Из этих соображений, по графику было установлено, что пересечение порогового уровня и^ происходит при отношении сигнал/помеха д < 1, что было предсказано в параграфе 2.3.3. По результатам эксперимента были достигнуты значения ^р<10"5, ^о>0,995 при 2=500; у — 0,1; д — 1 и изменении мощности помехи в 10 раз. Согласно теоретическим предпосылкам, полученным в параграфе 2.4 надёжное обнаружение с помощью генератора хаоса возможно при изменении мощности помехи в 103 раз. Такое расхождение может быть объяснено тем, в численной модели использовался полосовой фильтр 10 порядка, а в физическом эксперименте был применён фильтр лишь 2 порядка с более пологими полосами спада. Таким образом, высказанная гипотеза о возможности обнаружения сигналов с помощью ГХ была экспериментально подтверждена качественно и количественно.

Представленная на рисунке 2.46 схема детектора может быть ещё упрощена, если из сигнала ГХ выделить полосовым фильтром частоты, близкие к третьей субгармонике частоты ОГ, а затем обработать амплитудным детектором. Данный вариант, хотя и даёт косвенную оценку числа хаотических выбросов, тем не менее, был опробован и показал аналогичные результаты [44].

Экспериментальное подтверждение способности генератора хаоса обнаруживать сигналы на фоне помех открывает путь к разработке приборов с выходным сигналом дискретного типа, предназначенных для работы в условиях нестационарных помех.

2.8 Выводы по главе 2

В данной главе было представлено решение задачи 3 настоящей диссертационной работы. Рациональное использование динамических режимов нелинейной системы предоставляет

возможность создания различных приборов, предназначенных для работы в условиях нестационарных помех. В основе механизма чувствительности лежит модуляция контролируемой величиной одного из параметров нелинейной колебательной системы, приводящая к бифуркации устойчивости периодического движения. Основные результаты проведенных в данной главе исследований могут быть сформулированы следующим образом:

1) В основе механизма помехоустойчивости лежит способность динамической системы, находящейся в закритической области, сохранять периодичность даже под воздействием флуктуационных помех, в то время как в хаотическом режиме их действие принципиально не изменяет вид движения в системе. Информативным параметром предлагаемого обнаружителя является вид движения нелинейной колебательной системы: хаос или периодический режим. Распознавание вида движения осуществляется путём подсчёта числа хаотических выбросов за время обнаружения. Генератор хаоса имеет колебательную систему с низкой добротностью, что является причиной нечувствительности динамики системы к быстрым изменениям амплитуды входного сигнала и дисперсии помех.

2) В качестве примера для реализации обнаружителя обоснованно была выбрана хаотическая цепь Murali-Lakshmanan-Chua, близкая по свойствам к генератору Дуффинга-Холмса, но имеющая более простую схемную реализацию. Для предложенного варианта ОГХ была составлена модель, которая исследовалась преимущественно численными методами.

3) Использованием численных методов был осуществлен бифуркационный анализ и получены наиболее подходящие условия для построения обнаружителя, способного работать в условиях нестационарных помех.

4) Критерием сравнения обнаружителя с существующими прототипами были выбраны вероятности возникновения ошибок обнаружения 1 и 2 рода. Исследование способности к обнаружению ОГХ выполнялось при действии помех в ограниченной частотной полосе, и были установлены условия, при которых нестационарные помехи не оказывают существенного влияния на вероятность возникновения ошибок.

5) В результате численного анализа были получены эмпирические зависимости, позволяющие получить качественную характеристику и характеристику обнаружения для ОГХ. Эти характеристики позволяют задать правило принятия решения пороговым устройством. Было установлено, что ОГХ наиболее эффективен при обнаружения периодических сигналов, подверженных мультипликативной случайной помехе, на фоне аддитивной помехи с переменным во времени средним квадратом.

6) Было выполнено сравнение предлагаемого обнаружителя с корреляционным обнаружителем, снабжённым АРУ, а также схемой обнаружителя сигналов в шумах неизвестной

интенсивности. Установлено, что в условиях, когда полезный информационный сигнал подвержен действию аддитивной и мультипликативной помех и прочих равных условиях, ОГХ имеет на порядок меньшую вероятность ложных срабатываний, чем обнаружителя сигналов в шумах неизвестной интенсивности и на 3 порядка меньшую вероятность ложных срабатываний, чем корреляционный обнаружитель, снабжённый АРУ.

7) Основными дестабилизирующими работу ОГХ факторами являются следующие: уход частоты и амплитуды колебаний ОГ, изменение бифуркационного параметра самого ГХ. Предложены решения на основе выявления связанных характеристик других элементов обнаружителя, позволяющих компенсировать возникшую нестабильность.

8) Предлагаемый подход к обнаружению сигналов может быть использован для создания датчиков нового типа, предназначенных для работы в условиях нестационарных помех. На примере амплитудного варианта обнаружителя показана возможность создания ФЭД с периодической модуляцией светового пучка. Частотный вариант ОГХ может быть применён для обнаружения сигналов, возникающих при работе доплеровских измерителей скорости. Возможность применения параметрического варианта ОГХ показана на примере акустического сигнализатора уровня жидкостей.

9) Поскольку в данной работе впервые ГХ является узлом прибора контроля, то было выполнено экспериментальное исследование ГХ типа MLC-цепь. Было получено распределение колебательных режимов на плоскости задаваемых параметров и отмечено удовлетворительное соответствие эксперимента численной модели.

10) Была исследована динамика ГХ под воздействием случайных помех, и подтверждено, что нелинейная колебательная система, работающая в хаотическом режиме нечувствительна к флуктуационным помехам, при этом обладает избирательной чувствительностью к периодическим колебаниям. Экспериментально было подтверждено существование условий, при которых выходной сигнал ОГХ не будет зависеть от дисперсии помехи. Из этого было получено подтверждение возможности создавать приборы контроля дискретного типа, предназначенные для тяжёлых условий, в частности таких, где чувствительный элемент находится под воздействием нестационарных помех.

Таким образом, в основе предлагаемого помехоустойчивого метода контроля лежит обнаружитель детерминированных сигналов на фоне нестационарных помех, использующий касательную бифуркацию в неавтономном генераторе хаоса Murali-Lakshmanan-Chua, снабжённый устройством подсчёта числа хаотических выбросов за время обнаружения и пороговым устройством.

Подведение итогов теоретической главы позволяет сформулировать частные задачи практических исследований:

1) разработать вариант практической конструкции макета фотоэлектрического прибора на основе ОГХ. Выполнить испытание созданного макета прибора в производственных условиях;

2) разработать вариант практической конструкции макета прибора для контроля уровня ка-витирующих жидкостей и выполнить экспериментальное исследование его в лабораторных условиях;

3) подвести итоги проделанных исследований, выработать рекомендации для применения ОГХ в приборах контроля, предназначенных для эксплуатации в условиях нестационарных помех.

Глава 3. Практическая часть

Представленная в 1 главе проблема обнаружения измерительных сигналов на фоне нестационарных помех была обоснована на примере датчиков, работающих в тяжёлых условиях. В общем виде способ её решения был теоретически обоснован во 2 главе. Было показано, что наиболее важным узлом датчика дискретного типа является обнаружитель, а для условий нестационарных помех, предлагаемый обнаружитель на основе генератора хаоса будет обладать преимуществом перед известными прототипами. Рассмотрение ГХ и обнаружителя на его основе во 2 главе было сделано в безразмерных единицах, поскольку это позволяло уменьшить число постоянных коэффициентов в дифференциальном уравнении. Были найдены оптимальные значения коэффициентов уравнения ГХ и условия реализации наилучшей помехоустойчивости. Были показаны примеры возможного применения предлагаемых обнаружителей в датчиках. В настоящей работе для подтверждения предлагаемого метода была выполнена практическая реализация макетов некоторых из вариантов таких датчиков. На их основе были проведены экспериментальные исследования, а также внедрение в производство. В параграфе 3.1 рассмотрены вопросы создания фотоэлектрических приборов, в частности лазерного типа для контроля количества изделий и диффузного типа для контроля уровня сыпучих сред. Они включают обоснование целесообразности создания датчика, выявление источника нестационарных помех, вопросы первичной обработки принятого сигнала, вопросы конструирования датчика в целом. В параграфе 3.2 описан лабораторный макет сигнализатора уровня кавитирующих жидкостей с ОГХ.

3.1 Разработка и создание фотоэлектрических приборов с обнаружителем на

основе генератора хаоса

В параграфе 2.6.1 была предложена структурная схема ФЭД на основе генератора хаоса с периодической модуляцией излучаемого светового пучка. Также, в параграфе 2.4.3 был сделан предварительный вывод о том, что преимущества использования предлагаемого обнаружителя проявляются только в условиях нестационарных помех. Таким образом, подтверждение эффективности предлагаемого метода может быть выполнено путём создания прибора, предназначенного для соответствующих условий.

3.1.1 Обоснование целесообразности создания фотоэлектрического прибора с обнаружителем на основе генератора хаоса 3.1.1.1 Методы контроля количества изделий в массовом производстве

На сегодняшний день, во многих сферах промышленности одной из важных задач является контроль и учет производимых изделий. Общей задачей контроля изделий являются - подсчет, идентификация и комплексная оценка качества. Промышленностью выпускается большая

номенклатура средств контроля количества выпускаемых изделий, однако применение существующих средств в определённых условиях может быть неэффективным. Примером таких тяжёлых условий можно считать производства, в которых приборы контроля подвергаются одновременно действию нескольких неблагоприятных факторов. Для уменьшения ошибок обнаружения в таких приборах требуется обеспечение приемлемых условий, что не всегда возможно, либо это требует разработки новых устройств. Конкретно, условиями, затрудняющими эффективную работу приборов контроля, могут быть: высокие температуры в рабочей зоне и самих контролируемых изделий, запылённость и едкая атмосфера, загрязнение контролируемой зоны отходами производства и технологическими жидкостями, радиопомехи. Подобное сочетание неблагоприятных факторов характерно, например, для производства полимеров под давлением.

Для контроля и учёта количества изделий используются бесконтактные методы, реализуемые системами технического зрения или системами автоматического учета.

В системах технического зрения используется компьютерное зрение для обнаружения, отслеживания и классификации объектов. Данные системы получают информацию из фиксированных изображений, причем видеоданные могут иметь различные формы: видеопоследовательность, изображения с разных камер, трехмерные данные, сканированные изображения. Техническая реализация машинного зрения включает видеокамеры, датчики, специальную подсветку, контроллер и устройства для синхронизации работы элементов [14]. Одним из минусов систем технического зрения является сложность в обработке изображений, применение трудоемких алгоритмов расчета.

Автоматические системы учета могут реализовываться с помощью различных технических подходов, которые осуществляются на основе ёмкостных, индуктивных, магниточувстви-тельных, ультразвуковых и оптических датчиков.

Ёмкостные датчики могут применяться для счёта изделий, а ПИП в них представлен в виде пластин конденсаторов, располагающиеся к активной поверхности. ПИП обладает восприимчивостью к внешней среде, за счет конденсатора с двумя электродами, который включен в цепь обратной связи автогенератора. К недостаткам ёмкостных бесконтактных датчиков можно отнести небольшую дальность надёжного срабатывания.

ПИП индуктивного датчика представляет собой катушку индуктивности с разомкнутым магнитопроводом. При внесении металлического объекта в поле катушки изменяются её электрические параметры [12, 27]. Сама катушка включается в цепь автогенератора, и его колебания фиксируются частотным или амплитудным демодулятором, что приводит к формированию импульса счёта. Индуктивные датчики обнаруживают металлические, магнитные, ферромагнитные или аморфные объекты и невосприимчивы к другим материалам, что является их главным

недостатком. Расстояние срабатывания индуктивных датчиков обычно составляет от 1 до 150 мм.

Магниточувствительные датчики реагируют на приближение магнита, расположенного на контролируемом объекте, представлены двумя группами: герконовые и основанные на эффекте Холла [29]. В процессе перемещения постоянного магнита, расположенного на подвижной части механизма, происходит срабатывание датчика, так как изменяется напряженность магнитного поля. Недостатком магниточувствительных датчиков следует признать возможность подсчёта изделий только из ферромагнитных материалов.

Ультразвуковые датчики основаны на принципе распространения в воздушной среде звуковых волн. При известной скорости звука и времени его распространения можно точно определить расстояние, которое проходит ультразвуковая волна до объекта и обратно. Применяются для контроля передвижения объекта, определения уровня жидкостей, измерения расстояния.

Различают датчики диффузного типа, рефлекторные датчики, датчики сквозного луча [20, 21]. Преимущества данного вида датчиков - возможность работать в тяжелых условиях (запыленность, задымление, пар и т.д.), определение объектов любой цветности и оптической отражательной способности, диапазон срабатывания до 6 метров. К недостаткам ультразвуковых датчиков можно отнести высокую стоимость, зависимость показаний от наличия ветра, трудность в получении узконаправленного звукового пучка для контроля небольших объектов.

Оптические датчики во многих отраслях производства применяются для позиционирования или счёта объектов. Оптический датчик состоит из блоков излучателя и приёмника оптического излучения. Оптический луч проходит путь от излучателя к приёмнику и может быть прерван исследуемым объектом [73]. Реализация датчика может иметь несколько вариантов: излучатель и приемник находятся в одном корпусе, либо разнесены в разные. Классификация оптических датчиков включает несколько видов: барьерный, с приемом прямого луча от отдельного излучателя и дальностью действия до 150 м; рефлекторный, с приемом луча, возвращенного от отражателя и дальностью действия до 8 метров; диффузионные, с приемом луча, рассеянно отраженного от объекта, дальность действия до 2 метров.

При эксплуатации оптических датчиков следует учитывать, факторы, влияющие на расстояния надёжной работы датчика. Такими факторами могут быть: атмосферные осадки, пыль, дым и т. д. В зависимости от этого производится регулировка чувствительности, это также позволяет устранить ложные срабатывания. Для повышения помехоустойчивости используется модулированное излучение. Простота технической реализации и невысокая стоимость делает фотоэлектрические датчики весьма распространёнными для контроля количества изделий при

производстве полимеров под давлением. На рисунке 3.1 показано размещение ФЭД в термопла-ставтомате.

Рисунок 3.1 - Контроль количества продукции с помощью ФЭД на примере термопластавтома-

та Haitian HTF-120W

Контроль количества готовой продукции основан на подсчёте числа пересечений рассеянного светового пучка свободно падающей продукцией. Тем не менее, такая техническая реализация показывает невысокую эффективность в производственных условиях. Прежде всего, размещение фотоэлектрического ПИП близко к рабочей зоне термопластавтомата существенно уменьшает его ресурс из-за воздействия высоких температур и едкой атмосферы. Также, сказывается загрязнение входного и выходного отверстий фотоэлектрического датчика отходами производства и технологическими жидкостями. Масло из гидравлической системы привода пресс-формы и вода из системы охлаждения в небольших количествах могут скапливаться в области выхода готовой продукции, в том числе и на фотоэлектрическом датчике, что неминуемо приводит к ухудшению стабильности его работы.

Выполнив обзор существующих методов обнаружения объектов, можно отметить основным из недостатков практически всех датчиков недостаточный диапазон обнаружения и нестабильное срабатывание в условиях работы при одновременном действии нескольких неблагоприятных факторов. Тем не менее, ФЭД, применяемый для подсчёта количества изделий при производстве полимеров под давлением, может быть доработан путем исключения его из-под действия хотя бы части этих факторов. При этом ожидается возникновение новых технических задач, решение которых рассматривается в данной работе.

3.1.1.2 Фотоэлектрические приборы контроля количества изделий в массовом

производстве

В основе фотоэлектрического прибора лежит принцип излучения модулированного светового пучка источником, направленным в область с контролируемыми объектами и обнаружение его фотоприёмником. ФЭД можно использовать практически во всех отраслях промышленности в качестве приборов для подсчета, обнаружения и позиционирования изделий на производственной линии [65]. В тех областях производства, где действие нескольких неблагоприятных факторов, приводит к появлению нестационарных помех в получаемом сигнале, появляется необходимость в применении помехоустойчивых приборов, в том числе с обнаружителем на основе генератора хаоса.

Выделяют следующие классы: ФЭД на основе пересечения луча [63], ФЭД с отражением от рефлектора [31], ФЭД с отражением от объекта [32], ФЭД с подавлением переднего и заднего фона, ФЭД с оптоволоконным кабелем.

3.1.1.3 Обоснование выбора лазерного фотоэлектрического датчика для контроля количества изделий при производстве полимеров под давлением

В тяжёлых условиях производства применение ФЭД сопряжено с определенными трудностями. Прежде всего - это необходимость удаления самого датчика от объекта контроля, если тот находится в неблагоприятных условиях. Удаление датчика, в котором совмещены в одном корпусе излучатель и фотоприёмник, на некоторое расстояние от объекта контроля выведет его из зоны неблагоприятных условий, но приведет к появлению проблемы слабого сигнала. Действительно, мощность отражённого от контролируемого объекта света для рассеянного источника, убывает как четвёртая степень от расстояния. Гораздо лучшие условия возникают, если источник излучения лазерный, его луч практически не расходится и, при отражёнии от матовой поверхности, мощность принятого сигнала будет убывать, лишь как вторая степень от расстояния.

Для фиксирования слабого излучения, отражённого от контролируемого объекта, потребуется высокочувствительный фотоприёмник. К числу высокочувствительных фотоприёмников можно отнести приборы с внутренним усилением, например лавинные фотодиоды или фотоэлектронные умножители. Применение в качестве основного узла фотоприемника р4-п фотодиода (ФД) также возможно. Приблизительный расчёт порядков величин, возникающих при работе датчика на основер-1-п фотодиода, представлен в параграфе 3.1.1.4.

В случае если отражённый от контролируемого объекта сигнал, окажется слаб из-за особенностей его поверхности или цвета, то можно использовать принцип рефлекторного датчика для подсчёта количества изделий по пересечению луча.

Таким образом, применение бесконтактных приборов контроля количества изделий для тяжёлых производственных условий может быть осуществлено путем выбора лазерных ФЭД, которые обеспечивают хорошую дальность надежного срабатывания, находясь на большом расстоянии от источника неблагоприятного воздействия. Однако при этом возникает проблема слабого полезного сигнала на входе фотоприёмника, а также влияние нестационарной фоновой освещенности на фотоприёмник.

3.1.1.4 Фотоприёмник для фотоэлектрического датчика

Начальный этап обзора путей создания ФЭД для тяжёлых производственных условий предполагает обоснование выбора схемы ФПУ. Основные требованиями к ФПУ для фотоэлектрического датчика:

- высокое быстродействие для обеспечения фиксации модулированного лазерного пучка;

- возможность работы при изменяющейся фоновой засветке;

- по возможности низкий уровень шумов;

- простота технической реализации.

Для реализации фотоэлектрического прибора контроля количества изделий наиболее подходящими ПИП следует признать р4-п фотодиод и лавинный фотодиод, поскольку они обладают небольшими размерами и доступной ценой. Высокий коэффициент внутреннего усиления лавинного фотодиода [35] будет оправдан лишь для датчиков, в которых принимаемый сигнал будет исключительно слабым, например, в лазерных приборах с дальностью работы 100м и более, но в производственных условиях такие большие свободные расстояния не встречаются при контроле количества изделий. Применение лавинного фотодиода в датчике требует для него специального источника питания. Наиболее подходящим ПИП ФЭД для относительно небольших расстояний (до 10 м) следует признать р4-п фотодиод, снабженный предварительным усилителем.

Для предварительного рассмотрения вопроса о порядке величин, действующих на входе фотоприёмника, рассмотрим ЭЭСЗ фотодиода [86] и выполним приблизительный расчёт. Схема замещения фотодиода включает в себя следующие элементы: УО - идеальный диод; /& - темно-вой ток фотодиода; /рь - фототок; /п - шумовой ток; Ср - ёмкость диода; Лр - параллельное сопротивление диода; Л; - последовательное сопротивление диода; Яъ - сопротивление нагрузки (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - ЭЭСЗ фотодиода. Условно обозначены: УО-идеальный диод; /а - темновой ток фотодиода; /рь - фототок; /п - шумовой ток; Ср - ёмкость диода; Яр - параллельное сопротивление диода; Я8 - последовательное сопротивление диода; Яь - сопротивление нагрузки

Фототок определяется величиной светового потока падающей на фотодиод и его чувствительностью:

/рЬ= -Фи, (3.1)

где: 51 - токовая чувствительность фотодиода по всему диапазону длин волн; Фи - световой поток, приходящий на чувствительную площадку.

В случае облучения только монохроматическим источником:

/рь= (3.2)

где: Бх - абсолютная спектральная чувствительность для заданной длины волны X, для р4-п фотодиодов может составлять 0,5-0,8 А/Вт; W - мощность засветки фотодиода.

Здесь и далее типовые значения для кремниевых р4-п фотодиодов взяты из [88]. В диапазоне температур 0 - 100°С р4-п фотодиоды имеют темновой ток порядка 10-8 - 10 А.

Рассмотрение величины шумового тока /п предполагает нахождение преобладающей из его трёх основных составляющих, имеющих разные спектральные полосы и функции распределения: шума 1/£, теплового шума, дробового шума (генерационно - рекомбинационного).

Наименее изученный шум 1//- имеет наибольшую мощность на низких частотах и с ростом частоты быстро убывает. Считается, что начиная с частоты 1кГц его можно не принимать во внимание [113] на фоне теплового и дробового шумов.

Для теплового шума Джонсона характерна широкая равномерная полоса частот, а действующее значение шумового тока /} в полосе частот В составляет:

1

I,=(ар)5; (3.3)

где: Я] - сопротивление, на котором исследуют тепловой шум; кв - постоянная Больцмана; Т -температура фоточувствительного элемента фотодиода [К].

Имеющееся в ЭЭСЗ параллельное сопротивление Яр зависит от величины обратного напряжения и в фотодиодном режиме может быть в пределах 1 - 100М0м.

Темновой дробовой шум наблюдается у обратно смещённых диодов в темноте (темновой токовый шум) и объясняется случайными вариациями носителей заряда. Действующее значение тока дробового шума зависит от величины обратного темнового тока:

/5Й= •В , (3.4)

где: е- - заряд электрона. Как и тепловой, дробовой шум имеет равномерную полосу частот, простирающуюся до сотен мегагерц.

При освещении фотодиода неизменным во времени световым потоком в нём возникает фототок /ж, который также приводит к появлению дробового шума. Действующее значение тока дробового шума /8рь зависит от величины фототока и может превышать на несколько порядков:

/5рЬ = ^2е - • 1рь •В . (3.5)

Таким образом, нахождение величины шумового тока /п в эквивалентной схеме даётся суммой всех шумовых токов:

'п= Д + ^ + ^й. (3.6)

Кроме перечисленных выше шумов, к помехам, имеющим место в токах ФД, следует отнести помехи, вызванные пульсациями искусственного освещения. Согласно СП 52.13330.2011 освещение производственных помещений с невысокими требованиями к цветоразличению могут осуществляться люминесцентными или светодиодными лампами с коэффициентом пульсаций до 20%. Таким образом, сила тока помехи, вызванной пульсацией источника освещения, может иметь действующее значение, соизмеримое с /рь Спектр пульсаций света, в зависимости от типа электронного преобразователя питания лампы может простираться до 500Гц, и иметь гребенчатый вид или быть сплошным. В настоящее время нет достоверных исследований о спектральной полосе частот пульсаций светодиодных ламп, также отсутствуют нормы на допустимую ширину полосы пульсаций. Поскольку данный фактор трудно предсказуем количественно, будет логичным выбирать область частот выше 1кГц, чтобы уменьшить влияние помех, вызванных мерцающим освещением.

Результирующий ток фотодиода /УО определяется суммой составляющих:

/уо = 1ч + /рь+ /п. (3.7)

Учитывая порядок величины /рь, для дальнейшей обработки сигнала потребуется преобразователь ток-напряжение с коэффициентом не менее 106. Такую возможность обеспечивает трансимпедансный усилитель по типу представленного на рисунке 3.3. Простейшие конструк-

ции трансимпедансных усилителей обеспечивают преобразование ток-напряжение с коэффициентом преобразования 106^107 А/В. Кроме того, данная схема позволяет осуществить частотную коррекцию в полосе приёма с помощью ёмкости Ср [71].

В данной схеме включения усилитель осуществляет преобразование ток-напряжение с коэффициентом Ащ, численно равным RF (сопротивление обратной связи). Данная схема должна использовать малошумящий операционный усилитель, при этом шумы данной схемы будут определяться напряжением теплового шума Erf:

Erf = V4 kBTRP В.

(3.8)

Рисунок 3.3 - Трансимпедансный усилитель фотоприёмника

Емкость Ср определяет частотно-зависимую обратную связь и позволяет обеспечить некоторую равномерную полосу частот. В случае, если полезный сигнал представляет собой гармоническое колебание фиксированной частоты, то полосу принимаемых частот следует максимально сузить полосовым фильтром.

Рассмотренные источники помех не охватывают весь список (см. параграф 1.1) причин, мешающих надёжному приёму сигналов фотоприёмника. По этой причине разработка всякого фотоэлектрического устройства включает в себя некоторую экспериментальную часть (параграф 3.1.2.1) для нахождения величин, трудно получаемых теоретически.

Оценим баланс полезного сигнала и помехи на выходе ФПУ. Для этого зададимся некоторыми начальными условиями:

- мощность источника лазерного излучения в режиме постоянного свечения без модуляции Жизл=3 мВт;

- расстояние до объекта /=3м;

- ФПУ имеет радиус входного отверстия грь=2 мм;

- коэффициент отражения объекта следует считать не одним числом, а двумя для двух крайних случаев: идеального отражения и слабого отражения. В случае, если у него белая мато-

вая поверхность и луч падает перпендикулярно, то £отр1=0,75, а в случае, если падение происходит под некоторым углом или поверхность обладает плохой отражательной способностью, возьмём на порядок меньше £отр2=0,075.

Для идеальных условий отражения мощность полезного светового излучения на ФПУ ^прин1 будет найдена следующей формулой:

^прин1 = ^изл • )2 • ^отр1 = 1нВт, (3.9)

а при неидеальных условиях отражения ^прин2 = 0,1нВт. Однако, эти величины получены для случая излучения без модуляции. Если применить модуляцию синусоидальный сигналом, то

для нахождения действующего значения фототока полезного сигнала его следует умножить на 1

272.

Поскольку принимаемый световой пучок имеет фиксированную длину волны, для нахождения фототока полезного сигнала следует воспользоваться абсолютной спектральной чувствительностью ФД, взяв для примера = 0,6А/Вт. Таким образом, действующее значение тока полезного сигнала при идеальных условиях отражения /пс1 и неидеальных /пс2 составит:

1

/ПС1 = = 0,212нА; /пс2 = 0,0212нА. (3.10)

Зададим полосу частот, в которой будет работать ФПУ. Поскольку полезный сигнал -есть синусоидальный с фиксированной частотой, то желательно иметь эту полосу как можно более узкой. Строго говоря, ширина этой полосы должна соответствовать формуле 1.1. Однако, если речь идёт об использовании ОГХ, то во 2 главе было показано, что наилучшие характеристики обнаружения получаются при относительной ширине полосы помех 7=0,1. Такая необходимость обусловлена особенностью работы ГХ: в нём механизм обнаружения схож с явлением стохастического резонанса и для его функционирования требуется определенная полоса помех. Для расчёта примем:

- частоту модуляции светового пучка/=10кГц;

- относительную ширину полосы частот полосового фильтра 7=0,1.

Отсюда следует, что полоса частот В, в которой будут обнаруживаться шумы, составит:

В = /7 = 1кГц. (3.11)

Найдём действующее значение шумового тока /¡, обусловленное тепловым шумом [62] на сопротивлении Яр=100МОм при Т=300К:

/т= /4^в ТВ/Я=0,4пА. (3.12)

Найдём действующее значение дробового шума фотодиода /ярь1,2 [62]. Оно складывается из величины дробового шума темнового тока /а и фототока /рь Преимущественное влияние на величину фототока оказывает фоновая засветка, ток от которой намного превышает темновой ток /а и ток полезного сигнала /ПС. Принимая /¿=100нА и /рь=100мкА можно найти действующее значение тока дробового шума:

VI=72е- 'сВ , ^рь2 =72е-(/рЬ + 1ч)В, (3.13)

для которого получим /8рь1=5,7пА в темноте и /8рь2=0,18нА - при полной засветке. Поскольку рассматриваемые шумы некоррелированы, то можно найти общую величину шумового тока фотодиода /п1,2:

'п1,2 /2рЬ1,2. (3.14)

При представленных условиях шумы фотодиода всецело будут определяться дробовым шумом и в меньшей степени тепловым шумом. Действующее значение шумового тока /п1=5,7пА в темноте и /п2=0,18нА - при полной засветке.

Трансимпедансный усилитель, представленный на рисунке 3.3, осуществляет преобразование входного тока в напряжение с коэффициентом преобразования ки, численно равным ЯР. Усиливаться будет не только полезный сигнал, но и шумы, а также будут прибавлены шумы самого усилителя, решающее значение из которых имеет тепловой шум сопротивления обратной связи Яр [13]. Примем ЯР=1МОм, т.е. ки=106 и найдём напряжение полезного сигнала ЕПС1,2 на выходе усилителя:

Епс1 = к1и/пс1 = 0,21мВ; ЕЖ2 = 0,021мВ. (3.15)

Найдём напряжение теплового шума ЕпР, вызванного сопротивлением ЯР:

ЕпР=74^в ТБЩ=4мкВ. (3.16)

Найдём напряжение на выходе усилителя Епуэ вызванное шумовыми токами фотодиода:

^пУБ1,2 = /п1,2. (317)

Для случая при отсутствии фоновой засветки £пуо1=5,7мкВ и при полной засветке £пУО2=0,18мВ.

Найдём общее напряжение помех на выходе фотоприёмника:

Етп 1,2 = ^£'пУ01,22 + ЕпР2, (3.18)

получим 1 = 7мкВ и 2 = 0,18мВ для случая в темноте и при полной засветке соответственно.

Из этого предварительного рассмотрения можно сделать вывод, что напряжение полезного сигнала может изменяться в 10 раз (мультипликативная помеха), а напряжение аддитивной помехи в 26 раз. Причинами, приводящими к появлению мультипликативной помехи, являются: неоднородность коэффициента отражения поверхности контролируемых изделий, непостоянное расстояние до объекта контроля. Кроме этого, свободно падающие изделия, пересекая луч датчика, будут попадать в него под разными углами к отражающей поверхности. Причиной изменяющихся аддитивных помех является чувствительность дробового шумового тока к величине фоновой засветки ФД. Основной причиной изменяющейся фоновой засветки в производстве полимеров под давлением следует считать перемещение подвижной части пресс-формы (пуансона) в процессе рабочего цикла (рисунок 3.4). Перемещающийся пуансон, а также шланги системы охлаждения прерывают световой поток источников света к зоне, контролируемой фотоэлектрическим датчиком. По этой причине многократные прерывания светового потока происходят в момент выталкивания готового изделия из пресс-формы. Кроме этого, само падающее изделие является отражателем искусственного освещения, что также приводит к колебаниям фоновой засветки ФД.

Рисунок 3.4 - Пресс-форма в разомкнутом состоянии

Из этого следует, что на выходе ФПУ напряжения полезного сигнала и шумовой помехи могут изменяться независимо, непредсказуемо и в широких пределах.

Найдём отношения сигнал/помеха для полученных нами эмпирических оценок. Рассмотрим 4 крайних варианта, которые мы установили в результате анализа:

Л1 = ^ = 30,4; Л2 = ^ = 1,19; 021 = 12е2 = 3,04; = ^ = 0,118.

Если рассматривать каждый из случаев по отдельности, то всегда можно предложить какой-либо подходящий способ обнаружения [18]. Очевидно, что случай, когда отношение сигнал/помеха близко к , т.е. полезный сигнал максимален, а помеха минимальна, является самым простым и в принципе для принятия решения о наличии сигнала не требуется какой-либо обнаружитель, достаточно сравнить полученный сигнал с некоторым порогом.

Хотя 012 и 021 имеют близкие значения (сочетание слабого сигнала и слабой помехи, сочетание сильного сигнала и сильной помехи), тем не менее, в этих случаях сильно различаются по абсолютной величине напряжения полезного сигнала и помехи. Принятие решения о наличии или отсутствии сигнала в таких случаях должен осуществлять обнаружитель.

Наиболее трудный случай 022, когда сигнал слаб, а помеха велика также предполагает использование обнаружителя. Надёжное обнаружение сигналов при таких условиях возможно лишь путём увеличения времени обнаружения Тобн, а если это невозможно, то следует принять меры к пересмотру остальной конструкции прибора, например, применить датчик с рефлектором и контролировать изделие по пересечению отражённого луча. В нашем случае, полезный сигнал можно усилить путём увеличения мощности излучаемого светового пучка, приближения ФПУ к объекту контроля. Уменьшить напряжение помех можно приятием мер по уменьшению влияния фоновой засветки на ФПУ.

Полученные условия, при которых происходят непредсказуемые изменения напряжения полезного сигнала и аддитивной помехи, следует считать случаем нестационарных помех. Общие вопросы и трудности проектирования обнаружителя для таких условий рассмотрены в параграфе 1.2. Простым решением, предлагаемым в настоящей работе, является обработка полученного сигнала с помощью ГХ. Описание метода, основанного на использовании бифуркаций в генераторе хаоса для обнаружения периодических сигналов, представлено в главе 2. Таким образом, подтверждением состоятельности нового метода контроля может стать создание и практическое использование макета ФЭД для подсчёта числа производимых изделий.

Дополнительно, следует отметить ещё одну трудность, возникающую при создании фотоприёмников для ФЭД - это постоянный ток фоновой засветки. Для уменьшения влияния большого фототока, обусловленного фоновой засветкой известны следующие решения:

- использование оптических фильтров на требуемую длину волны;

- использование систем линз для ограничения поля зрения ФПУ;

- использование электрических фильтров для устранения постоянной составляющей полученного сигнала;

- использование автоматических схем смещения ФД для подавления постоянного фототока.

Таким образом, для реализации ФПУ прибора контроля количества изделий в производстве полимеров под давлением, выбраны р4-п фотодиод и трансимпедансный усилитель, снабжённый подавителем тока фоновой засветки. Структурная схема фотоэлектрического прибора с ОГХ обсуждалась в параграфе 2.6.1 и была показана на рисунке 2.36.

3.1.2 Разработка макета лазерного ФЭД с ОГХ 3.1.2.1 Экспериментальное исследование условий работы ФПУ Разработка всякого фотоэлектрического прибора предполагает наличие некоторого эксперимента по установлению порядка величин, с которыми предстоит иметь дело при создании макета датчика. Первоначально исследовались узлы датчика, предназначенные для излучения и приёма модулированного светового пучка. Поскольку разработка этих узлов не входит в основную цель данной диссертационной работы - то их экспериментальное исследование было необходимо лишь для подтверждения теоретических выкладок, представленных в параграфе 3.1.1.4 и получения данных, необходимых для проектирования датчика.

ФПУ было построено на основе высокочувствительного кремниевого фотодиода с абсолютной спектральной чувствительностью 5^=650 нм = 0,6А/Вт, трансимпеданс-ного усилителя с ки=106, снабжённого токовым подавителем постоянного фототока согласно работы [116]. Дополнительно, выходной сигнал ФПУ подвергался полосовой фильтрации с центральной частотой / = 10кГц, относительной шириной полосы у = 0,1 и усилению с кцф = 500. Принципиальная электрическая схема ФПУ приведена в приложении А.

Первоначально, было осуществлено исследование зависимости шумового напряжения на выходе ФПУ в зависимости от фоновой засветки ФД. Для этого эксперимента потребовались исключительные меры, влияющие на достоверность экспериментальных данных. Было выполнено экранирование электрической цепи ФПУ и использован отдельный источник питания для ФПУ на основе батарей гальванических элементов. Источником фоновой засветки являлся све-тодиод белого цвета FYL-5014UWC1C, подключённый к отдельному источнику питания на основе гальванических элементов. Фотодиод и светодиод были конструктивно размещены в непрозрачном корпусе на расстоянии 50мм друг от друга. Облучённость фотодиода Ее контролировалась косвенно по величине управляющего напряжения, выдаваемого схемой компенсации постоянного фототока. Действующее напряжение сигнала на выходе полосового фильтра ипф контролировалось с помощью осциллографа АСК-6022. На рисунке 3.5 представлен вид спектра случайного сигнала после полосовой фильтрации при облучённости Ее=0,75мВт/см .

АКТАКОМ u Pos: 12.50KHZ Freq: 11.11KHZ

¡■■■■шшннн

RI Source

Window

iBlackmanl

dihlfflrikl

ugfT Format su

FFT Zoom 32

CH2 20tlB 2. 5KHZ/DIU (50KS/s) У CH1 Bitmap saving 0.OOmv

Рисунок 3.5 - Спектральное представление случайного сигнала ФПУ при Ее=0,75мВт/см , полученное с помощью осциллографа АСК-6022

Максимум спектральной характеристики ожидаемо соответствует частоте / = 10кГц, а плавное спадание от максимума объясняется тем, что полосовая фильтрация осуществлялась фильтром второго порядка, обеспечивающим крутизну спада не более 40дБ/дек.

Согласно данным, представленным производителем, максимальная освещенность для ФД BPW24R составляет не более 1мВт/см . Зависимость напряжения случайного сигнала на выходе полосового фильтра Упф от облучённости Ее в рекомендуемом производителем диапазоне была снята экспериментально и представлена на рисунке 3.6. Полное сопоставление с формулой (3.18) не выполнялось, поскольку производители ФД и ОУ не сообщают о шумовых характеристиках своих компонентов, а качественное сопоставление позволяет прийти к выводу о получении ожидаемой формы зависимости соответствующей квадратному корню из облучённости. Заметим, что в диапазоне облучённостей от 0 до 1мВт/см напряжение помехи изменяется приблизительно в 10 раз, в то время как теоретический расчёт в параграфе 3.1.1.4 показывает, что это изменение должно составлять 26 раз. Данное расхождение может быть объяснено тем, что в состав фотоприёмника также входят предварительный усилитель и полосовой фильтр, шумовые напряжения которых не принимались во внимание в теоретическом расчёте. По графику легко установить, что напряжение случайного сигнала может изменяться как минимум на порядок при разном значении фоновой засветки. Это говорит в пользу подтверждения предположения о том, что сигнал ФПУ в реальных условиях производства будет сопровождаться нестационарными помехами.

Рисунок 3.6 - Зависимость напряжения случайного сигнала на выходе полосового фильтра ипф

от облучённости фотодиода Ее

Излучающая часть датчика была выполнена на основе наиболее доступных на момент проведения экспериментов компонентов. Лазерный светодиод B00VCR036Q, с длиной волны Ял = 650нм, максимальной мощностью МЛ.макс = 5мВт, имеющий угол расхождения луча д = 10-3 рад был выбран из соображений безопасности в эксперименте и эксплуатации прибора на производстве. При использовании лазерного светодиода с указанными характеристиками создаваемый прибор, согласно ГОСТ 1ЕС 60825-2013, будет относиться к лазерной аппаратуре класса 2. Модуляция лазера осуществлялась синусоидальным сигналом частотой f = 10кГц с помощью преобразователя напряжение - ток, обеспечивающего требуемый диапазон рабочих значений тока для лазерного светодиода. Принципиальная электрическая схема модулятора приведена в приложении А.

Далее было выполнено экспериментальное исследование зависимости напряжения полезного сигнала на выходе ФПУ в зависимости от расстояния до контролируемого объекта. Контролируемый объект представлял собой белый матовый бумажный экран, облучаемый модулированным лазерным пучком. Расстояние от ФПУ до экрана контролировалось с точность до 1мм. Считая коэффициент отражения бумаги котр=0,15 и прочих известных величинах было выполнено сопоставление экспериментальной зависимости с теоретической, представленной формулами (3.9), (3.10), (3.15). На рисунке 3.7 совместно приведены теоретические и экспериментальные зависимости для напряжения полезного сигнала в зависимости от расстояния до экрана.

V ( % i - - * Теория ■■■ Эксперимент I

\ 1 % »

1 к

% V. ■v 1 "ч

].м

Рисунок 3.7 - Зависимость напряжения полезного сигнала на выходе полосового фильтра ипф

от расстояния до экрана / при £'е=0,5мВт/см

Было установлено, что с расстояния /=3м полезный сигнал на выходе ФПУ становился малоразличимым на фоне помех при максимально допустимой фоновой засветке. Сопоставление экспериментальной и теоретической зависимостей показало удовлетворительное соответствие теории эксперименту.

Предварительная проверка функционирования блоков излучения и приёма показала ожидаемые результаты и с небольшими доработками данные блоки были включены в состав макета датчика. Структурная схема макета ФЭД представлена на рисунке 2.36. Практическая реализация блоков макета данного датчика подробно была рассмотрена в параграфах 3.1.1, 3.1.3 и данном параграфе. Электрические принципиальные схемы вынесены в приложение А.

3.1.2.2 Инженерный расчёт разрабатываемого датчика

Расчёт датчика должен обеспечить выполнение условий наилучшей помехоустойчивости используемого в нём ОГХ. Во 2 главе численное исследование ОГХ осуществлялось в безразмерных величинах, следовательно, теперь требуется получить параметры обнаружителя в абсолютных величинах.

Расчёт следует начать с согласования времени обнаружения. Поскольку использование датчика предполагается для контроля количества падающих изделий, то время обнаружения в ОГХ должно соответствовать времени пролёта через поле зрения прибора. Было установлено, что расстояние свободного падения только что отлитого изделия после разделения матрицы и пуансона пресс-формы составляет кп = 0,35м. Из этого следует, что при известном ускорении свободного падения дд « 9,8м/с2 контролируемый объект с линейным размером не менее 1т = 0,12м будет проходить поле зрения лазерного ФЭД за время:

= 1тш+1т) _ /2^ = 42мс (3.19)

Л1 вд ^ вд

Из этих данных следует выбрать такую частоту ОГ, чтобы время обнаружения генератором хаоса соответствовало достаточному числу периодов опорного генератора 2. Если принять во внимание рекомендации параграфа 2.3.4, таблицы 2.4 и задать 2=400, то для этого потребуется частота ОГ равная:

7

/ = - = 9523Гц. (3.20)

тш

Также, допустимой является любая более высокая частота. Если требуется, более высокое быстродействие, например, для обнаружения объектов меньшего размера, то это потребует более высокой частоты ОГ. Допустимым является уменьшение числа периодов обнаружения 2, однако это приведёт к тому, что распределения числа выбросов N для случаев наличия и отсутствия обнаруживаемого сигналов будут предельно сближены, а выбор порога будет представлять собой некоторый компромисс. Такой случай будет иметь место, при отношении сигнал/помеха заметно меньшем единицы.

Если же полезный сигнал достаточно силён на фоне помехи, то время обнаружения можно уменьшить до 2=250. В итоге при частоте f = 10кГц время обнаружения было определено как Гобн = 25мс. Элементы ГХ, представленного на рисунке 2.42, рассчитываются по формулам (2.23) под эти параметры. Расчёт остальных элементов обнаружителя (режекторного фильтра, ФНЧ, порогового устройства) выполняется по формулам, представленным в параграфе 2.7.2. Расчёт остальных узлов датчика осуществлялся в соответствии с известными методиками, изложенными в литературных источниках. Более подробные сведения о них содержатся в приложении А.

3.1.2.3 Практическая реализация макета датчика

Макет датчика был выполнен в виде небольших электронных блоков, имеющих независимое экранирование и фильтрацию питания. Блоки соединялись между собой и источником питания также экранированными проводниками. Лазерный светодиод установлен на радиаторе с площадью поверхности 5см . Макет датчика содержит световую и звуковую индикацию обнаружения объекта [58].

В отдельном корпусе был выполнен источник питания и счётчик числа срабатываний датчика. Счётчик имеет энергонезависимое питание и защиту от непреднамеренного сброса. Внешний вид макета лазерного прибора для подсчёта числа изделий представлен на рисунке 3.8, а его характеристики в таблице 3.1.

Рисунок 3.8 - Макет лазерного фотоэлектрического прибора для подсчёта количества изделий.

На фотографии слева показан датчик, справа - блок источника питания и счётчика, крышки сняты. Цифрами обозначены: 1 - блок фотоприёмного устройства; 2 - блок генератора хаоса; 3 - блок детектора; 4 - блок синусоидального генератора и модулятора; 5 - окно фотоприёмного устройства; 6 - окно излучателя; 7 - счётчик; 8,9 - источники питания

Таблица 3.1 - Технические характеристики макета лазерного фотоэлектрического прибора для контроля количества изделий

Параметр Значение

Принцип действия оптический, отражение от объекта, пересечение отражённого луча

Диапазон срабатывания при отражении от объекта до 4 метров; при пересечении отражённого луча до 20 метров.

Тип обнаружителя генератор хаоса

Время обнаружения 25мс

Источник излучения частота модуляции: 10 кГц; прибор относится к лазерной аппаратуре класса 2; мощность излучения, не более: 3 мВт; длина волны излучения: 650нм.

Облучённость фотоприёмника не более 1мВт/см

Тип выходного сигнала КРК

Питание ±9В, 100 мА, блок питания 220В,10Вт

Габаритные размеры датчика:120х60х50 мм; блока источника питания и счётчика: 150x80x45 мм.

Дополнительные функции счётчик с энергонезависимым питанием; разрядность счётчика 6 разрядов.

Макет прибора был представлен на 7-й международной выставке научно-технических и инновационных разработок «Измерение, Мир, Человек - 2017» в Барнауле и был удостоен Серебряной медали (Приложение Б).

3.1.3 Испытание созданного макета прибора для контроля количества производимых изделий в производственных условиях

В 2017 году от предприятия ООО «Унипак» г. Барнаула было получено техническое задание, предполагавшее внедрение фотоэлектрического прибора контроля количества пластмассовых изделий для автоматической линии HTF 120W Ningbo Haitian Plastic Machinery. Данное предприятие осуществляет производство полимерных изделий, преимущественно предназначенных для хранения и упаковки продуктов питания (посуда и крышки).

Указанные автоматические линии изначально снабжены ФЭД диффузного типа, предназначенными для подсчёта количества изделий, непосредственно при падении только что отлитого изделия в лоток готовой продукции (рисунок 3.1). Однако практическое их использование затруднено тем, что расположение непосредственно под рабочей зоной приводит к достаточно быстрому выходу датчика из строя. Дестабилизирующие работу данного датчика факторы представлены в параграфе 3.1.1.1, поэтому здесь повторно не приводятся.

Предварительное испытание в производственных условиях было выполнено без установки макета датчика непосредственно на термопластавтомат. Установка датчика осуществлялась с помощью штатива. Луч направлялся в зону падения только что отлитого изделия в лоток готовой продукции (рисунок 3.9). Белые матовые изделия надёжно обнаруживались датчиком с расстояния до 2м. Для подсчёта тёмных изделий был использован световозвращатель, размещённый с противоположной стороны от зоны падения, а датчик обнаруживал объект по пересечению отражённого луча.

Разработка окончательного макета предполагала создание крепёжной оснастки для датчика. Крепёжная оснастка представляет собой закрытый короб, установленный на жёсткой штанге. Внутри короба с одной стороны располагается ФЭД, с другой стороны зеркало с углом наклона 40-50°. Наклонное зеркало позволяет повернуть луч на заданный угол, а саму крепёжную оснастку разместить вдоль фасадной части термопластавтомата. Штанга имеет выходное отверстие для луча ФЭД. Внутренняя поверхность короба в критических местах покрыта матовым чёрным материалом для уменьшения влияния ложных отражений на работу датчика. На крышке размещена предупреждающая надпись согласно ГОСТ IEC 60825-2013. Габаритные размеры крепёжной оснастки составляют 1240x80x80. Расположение ФЭД на расстояние 2м от рабочей зоны снижает влияние большинства внешних дестабилизирующих факторов. Установка датчика на термопластавтомат показана на рисунке 3.10.

Согласно техническому заданию ошибка первого рода должна возникать не чаще чем 1 раз за 8-часовую рабочую смену, что при Гобн = 25мс соответствует вероятности ложных срабатываний рр « 10-6, а ошибка второго рода не чаще чем 1 раз на 10000 изделий, что соответствует р0 = 0,9999.

С учётом рисунков 3.6 и 3.7 было установлено, что отношение сигнал/помеха на выходе фотоприёмника при расстоянии до контролируемых объектов /=2м составляет д > 2. Задавшись вероятностью ложных срабатываний рр = 10-6 и Z=250, по формулам (2.19), (2.20) с учётом формул (2.12) - (2.17) была достигнута желаемая вероятность правильного обнаружения р0 = 0,9999. При использовании прибора в производственных условиях было отмечено повышение надёжности функционирования датчика, в сравнении со штатным датчиком, благодаря исключению воздействия на него большинства дестабилизирующих факторов.

Рисунок 3.9 - Предварительное испытание макета ФЭД для подсчёта числа изделий в производственных условиях

Рисунок 3.10 - Макет лазерного фотоэлектрического прибора контроля количества изделий, установленный с помощью крепёжной оснастки на термопластавтомате HTF 120W

Наличие счётчика позволило упростить процедуру упаковки готовой продукции для персонала, исключив из неё дополнительный пересчёт изделий. Итоги испытания прибора в производственных условиях зафиксированы в виде акта внедрения, приведённого в приложении В.

3.1.4 Разработка макета диффузного фотоэлектрического датчика дискретного типа с обнаружителем на основе генератора хаоса

На современном производстве, в отраслях химической и пищевой промышленности, имеется необходимость использования сигнализаторов уровня для различных сред. Самое большое распространение для контроля сыпучих сред получили сигнализаторы вибрационного, рефлексного и флажкового типов. В то же время, при высокой запылённости контролируемой зоны использование ФЭД весьма ограничено, так как из-за пыли имеет место ослабление светового луча. Повышенная запылённость приводит к тому, что полезный информационный сигнал может быть сильно ослаблен, а также иметь паразитную амплитудную модуляцию. Наличие изменяющихся условий освещения в рабочей зоне также может явиться причиной аддитивных нестационарных помех. Эти предпосылки дают основание полагать, что надёжная работа сигнализатора уровня в таких условиях возможна лишь при наличии в нём обнаружителя, способного к работе в условиях нестационарных помех. Было решено выполнить экспериментальную проверку работоспособности ФЭД с ОГХ для контроля уровня или «сухого хода» пылевых сред.

Разработанный сигнализатор представляет собой ФЭД диффузного типа. Излучатель и ФПУ расположены с одной стороны [47] и закрыты ИК светофильтрами. Связь между излучателем и ФПУ осуществляется через пылевые частицы, которые рассеяны в воздухе над контролируемым веществом. Стенка ёмкости расположенная напротив излучателя, также отражает сигнал. Если вещество перекрывает ФД, приём периодического сигнала прекращается. Для работы выбран ИК-диапазон, так как предполагается контролировать вещества с высокой проницаемостью (например, такие как мука). Высокая проницаемость в среде позволяет сохранить работоспособность датчика при налипании вещества на светофильтры.

Структурная схема данного макета датчика принципиально не отличается от схемы лазерного ФЭД, представленного на рисунке 2.36 и поэтому здесь повторно не рассматривается. На рисунке 3.11 представлен реализованный макет ФЭД [53], характеристики которого приведены в таблице 3.2.

Рисунок 3.11 - Внешний вид лабораторного макета ФЭД диффузного типа

Таблица 3.2 - Технические характеристики макета ФЭД диффузного типа

Параметр Значение

Принцип действия оптический

Диапазон дальности срабатывания до 1м

Тип обнаружителя генератор хаоса

Время обнаружения 30 мс

Источник излучения длина волны: 940 нм; мощность излучения: 40 мВт; частота модуляции: 10 кГц.

Тип выходного сигнала КРК

Питание ±9В, 150 мА, блок питания 220В,10Вт

Габаритные размеры датчика: 050*110 мм; блока источника питания и счётчика: 150x80x45 мм.

В лабораторных условиях макет датчика диффузного типа был испытан в качестве сигнализатора «сухого хода» для продуктопровода муки (на участках свободного падения или шнековой подачи) (рисунок 3.12). Была подтверждена высокая устойчивость срабатываний даже при сильном загрязнении светофильтра датчика.

Рисунок 3.12 - Вид лабораторной установки для испытания ФЭД с ОГХ для контроля «сухого хода». Цифрами обозначены: 1, 2 - светофильтры; 3 - корпус датчика

Макет датчика был представлен на 3-й международной выставке научно-технических и инновационных разработок «Измерение, Мир, Человек - 2013» в Барнауле и был удостоен Серебряной медали (Приложение Б).

3.2 Разработка макета датчика дискретного типа с параметрическим

вариантом ОГХ

Для контроля уровня жидкостей в настоящее время выпускается большое разнообразие датчиков. Среди распространённых можно назвать датчики ёмкостного, микроволнового, вибрационного и акустического типов. Тяжёлые условия эксплуатации в производственных условиях, например, промышленные шумы, вибрации или кавитация, могут сделать применение существующих датчиков неэффективным. В качестве примера рассмотрим сигнализатор уровня вибрационного типа. Если колебательную систему датчика подключить к источнику напряжения резонансной частоты, то по силе протекающего тока легко установить наличие контакта с жидкостью. Также возможен вариант импульсного воздействия на колебательную систему и определение времени до некоторого затухания колебаний [19]. Однако воздействие внешних вибраций на ПИП приведёт к возникновению помех, что затруднит безошибочное распознавание контакта с жидкостью. Решением проблемы может стать применение ОГХ. Оно состоит в подключении ПИП непосредственно в схему ГХ вместо ёмкости С (рисунок 2.39). Тем самым получается параметрический вариант обнаружителя. Из этих предпосылок было решено выполнить экспериментальную проверку работоспособности акустического датчика с ОГХ для контроля уровня кавитирующих жидкостей.

Основу сигнализатора составляет биморфный дисковый пьезоэлемент в качестве ПИП. Пьезоэлемент совершает изгибные колебания, поэтому закрепление его возможно по узловой окружности. При помещении пьезоэлемента в жидкость существенно возрастает импеданс излучения, что проявляется уходом резонансной частоты [50]. Поверхность пьезоэлемента покрывается лаком для исключения электропроводности через жидкость.

Параметры ГХ и пьезоэлемента подбираются таким образом, чтобы при отсутствии контакта с жидкостью существовал бы периодический режим. При наличии контакта с жидкостью импеданс излучения существенно возрастает, что отражается на импедансе пьезоэлемента в целом. От этого периодический режим теряет устойчивость и возникает хаос. Отличительной особенностью режима является генерация широкополосных колебаний и устойчивость его при внешнем флуктуационном воздействии. Это даёт основание полагать, что даже сильные вибрации и шумы, распространяющиеся в жидкости, не повлияют на способность распознать наличие контакта пьезоэлемента с жидкостью. Структурная схема приведена на рисунке 2.41.

3.2.1 Инженерный расчёт датчика с параметрическим вариантом обнаружителя на

основе генератора хаоса

Первым этапом был сконструирован ПИП на основе пьезоэлемента и экспериментально подтверждено изменение импеданса при погружении его в жидкость [45]. Экспериментально были исследованы биморфные пьезоэлементы звукового диапазона частот с диаметром диска от 12 до 35мм. Для них были определены параметры ЭЭСЗ (рисунок 2.40). На рисунке 3.13 изображена частотная характеристика пьезоэлемента БМЬ-35Т.

3

й

1х103 2х103 Зх№3 4х103 5х103 6х103

Г, Гц

Рисунок 3.13 - Частотная характеристика пьезоэлемента БМЬ-35Т (зависимость полной проводимости увд от частоты). Штриховая линия соответствует колебаниям пьезоэлемента в воздухе,

сплошная - в воде

Вторым этапом следует установить частоту ОГ. В работе [40], а также из параграфа 2.2.3 (рисунок 2.4) были выбраны следующие параметры хаотической системы: (А = 0,2; ш = 1; Р = 0,95) и (А = 0,2; ш = 1; = 0,85) для хаотического и периодического режимов соответст-

венно. Иными словами, была выбрана бифуркационная граница между хаотическими колебаниями и периодическими колебаниями периода три.

Отношение у = 0,895 эквивалентно уменьшению ёмкости C в ГХ на 10,5%. Величина

статической ёмкости пьезоэлемента не изменяется при погружении его в жидкость, в то же время возрастает присоединённая масса, что приводит к смещению резонансного пика в область низких частот. Для работы пьезоэлемента в качестве ёмкости в ГХ необходимо выбрать такую рабочую частоту, на которой его импеданс был бы близок по свойствам к электрической ёмкости, т.е. не на резонансной частоте. Однако вдали от резонансного пика импеданс нагруженного жидкостью пьезоэлемента и ненагруженного ощутимо не различаются.

Рабочая точка выбрана на частоте fs, несколько выше резонансной частоты таким образом, чтобы полная проводимость на этой частоте изменялась на 10,5% при погружении пьезоэлемента в жидкость. Для пьезоэлемента FML-35T по графику была определена частота fs = 4кГц. Поскольку частота fs соответствует периодическому режиму периода три генератора хаоса, то частота ОГ / = 3fs = 12кГц.

Третьим этапом следует установить величины всех остальных элементов MLC-цепи аналогично тому, как это было сделано в параграфе 2.7.1. Далее определяют все остальные значения элементов ГХ по формулам (2.23).

Может оказаться, что в результате расчёта требуемое значение ёмкости C в ГХ будет отличаться от статической ёмкости пьезоэлемента. В этом случае можно выполнить параллельное и последовательное подключение конденсаторов, позволяющих вместе с пьезоэлементом получить требуемую ёмкость.

3.2.2 Экспериментальное исследование макета датчика

Для проверки концепции сигнализатора уровня на основе ОГХ был создан лабораторный макет (рисунок 3.14) [51]. Для пьезоэлемента FML-35T-3.0A1-100 экспериментально были установлены резонансные частоты в воздухе и в воде, они составили 3200Гц и 2050Гц соответственно. Частота ОГ была выбрана f = 12кГц.

Электрическая принципиальная схема приведена в приложении A. Для экспериментального исследования был выполнен только ГХ с подключённым к нему пьезоэлементом. Получаемый от ГХ сигнал исследовался визуально с помощью осциллографа, а также вводился в компьютер путём дискретизации с частотой 192кГц. Это было необходимо для осуществления сравнения генерируемых колебаний с численной моделью. Поскольку речь идет о случайных сигналах, то возможно только их качественное сопоставление, которое показало высокую степень соответствия эксперимента численной модели. При нахождении ПИП в воздухе ГХ рабо-

тал в периодическом режиме с частотой 4кГц, т.е. на третьей субгармонике. При погружении ПИП в жидкость вид движения в ГХ изменялся на хаотический. Это легко обнаруживалось визуально по осциллографу и на слух, т.к. все колебания приходились на слышимый диапазон частот.

Рисунок 3.14 - Внешний вид экспериментальной установки

На рисунке 3.15 показан вид движения ГХ во временной и частотной областях для случаев работы в воздухе и в жидкости.

Проверка устойчивости работы в течении 60 дней в безостановочном режиме показала надёжность переключения состояния, при условии неизменно заданной частоты и амплитуды ОГ.

Поскольку основное преимущество ГХ проявляется в условиях сильных флуктуацион-ных помех, был проведён эксперимент по контролю уровня кавитирующих жидкостей. Для этого была создана экспериментальная установка, в которой пьезоэлемент располагался в непосредственной близости к вращающемуся гребному винту, что создавало сильные помехи сигналу пьезоэлемента (рисунок 3.16). Экспериментом было установлено сохранение хаотического движения под действием помех, также отмечено повышение стохастичности случайного процесса в ГХ (рисунок 3.17), при этом сохранялся периодический режим при работе ПИП в воздухе.

Рисунок 3.15 - Временные и спектральные зависимости выходного сигнала ГХ при нахождении

ПИП в воздухе и в воде

Рисунок 3.16 - Экспериментальная установка для исследования работы сигнализатора уровня

кавитирующих жидкостей

Возможность создания сигнализатора уровня жидкостей на основе ГХ была подтверждена экспериментально. Технический результат состоит в получении помехоустойчивого измерительного преобразования, необходимого для контроля уровня кавитирующих сред. Проверка долговременной стабильности работы и работы в условиях вихревой кавитации была проведена в лабораторных условиях на макете.

Рисунок 3.17 - Временные диаграммы выходного сигнала ГХ в спокойной воде и при воздействии вращающегося гребного винта

Макет сигнализатора контроля уровня жидкостей был представлен на 2-й международной выставке научно-технических и инновационных разработок «Измерение, Мир, Человек -2012» в Барнауле и был удостоен Серебряной медали (Приложение Б).

3.3 Выводы по 3 главе

Данная глава была посвящена выполнению задач 4 и 5 настоящей диссертационной работы. В ней подтверждение состоятельности предлагаемого метода технического контроля было осуществлёно на практике путём создания трёх различных макетов датчиков. Результаты исследований в данной главе могут быть сформулированы следующим образом:

1. Анализ условий производства полимеров под давлением позволил обосновать необходимость применения для подсчёта количества изделий ФЭД с ОГХ. Была установлена необходимость удаления датчика от объектов контроля из-за высокой температуры и едкой атмосферы в контролируемой зоне. Сигнал, получаемый ФПУ датчика, оказался подвержен действию аддитивных и мультипликативных помех. Данные условия являются подходящими для демонстрации преимущества предлагаемого способа обнаружения. Предварительными экспериментами было установлено, что мощность помехи может непредсказуемо изменяться в пределах двух порядков. Надёжное обнаружение контролируемых объектов в таких условиях возможно лишь применением обнаружителя малочувствительного к нестационарным помехам. Для осуществления на практике макета датчика была выработана методика инженерного расчёта его основных компонентов. Полученные данные позволили выполнить технически простую реализацию макета датчика. Созданный макет прибора контроля количества изделий был опробован в производственных условиях и внедрён на предприятии по производству полимеров под давлением ООО «Унипак» г.Барнаула.

2. Для контроля «сухого хода» в продуктопроводах был предложен и осуществлён макет ФЭД диффузного типа с излучателем ближнего ИК-диапазона. В лабораторных условиях была создана модель продуктопровода муки, на которой был опробован созданный макет датчика и подтверждена высокая надёжность срабатывания.

3. Лабораторный макет сигнализатора уровня жидких сред, предназначенного для применения в условиях кавитации, был создан на основе биморфного чувствительного элемента. Обнаружение контакта с контролируемой жидкостью достигалось за счёт увеличения присоединённой к колеблющемуся биморфному пьезоэлементу массы. Благодаря использованию ГХ макет датчика сохранял способность к обнаружению в условиях кавитации, что эквивалентно действию помех на ПИП датчика. Применение предлагаемого метода контроля уровня оправдано, когда контролируемая жидкость подвержена действию вибраций или для контроля уровня бурлящих жидкостей.

Заключение

В представленной работе предложено новое научно обоснованное решение важной научно-технической задачи создания помехоустойчивых приборов, способных надежно функционировать в тяжёлых производственных условиях, что имеет существенное значение для расширения автоматизации производственных процессов. Автором подготовлена теоретическая база, позволяющая создавать приборы контроля дискретного типа, основанные на использовании генераторов хаоса в качестве обнаружителей измерительных сигналов. Показано, что реализация генераторов хаоса в схемах обработки измерительных сигналов позволяет повысить помехоустойчивость приборов на их основе, а также расширить условия их эксплуатации. Представлены варианты их практического использования. Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Обзор существующих методов контроля, основанных на реализации различных вариантов обработки измерительных сигналов в датчиках дискретного типа, позволил обосновать необходимость разработки новых подходов к обнаружению сигналов в условиях нестационарных помех.

2. Повышение помехоустойчивости приборов контроля дискретного типа предложено осуществить с помощью обнаружителя, использующего касательную бифуркацию в неавтономном генераторе хаоса Murali-Lakshmanan-Chua.

3. Создана математическая модель обнаружителя сигналов на основе генератора хаоса. На основе анализа математической модели:

а) установлены бифуркационные границы, позволяющие обеспечить отсутствие биста-бильности в обнаружителе на основе генератора хаоса. В безразмерных величинах для частоты опорного генератора ш и бифуркационного параметра системы @ рекомендованы следующие значения: ш = 0,4, @ = 0,9;

б) установлена степень близости к бифуркационной границе, позволяющая обеспечить снижение чувствительности обнаружителя на основе генератора хаоса к помехам с изменяющимся во времени средним квадратом. В безразмерных величинах для амплитуды опорного генератора А0 рекомендовано следующее значение: А0 = 0,08226;

в) получены зависимости для среднего и СКО числа хаотических выбросов за время обнаружения в функции отношения сигнал/помеха;

г) предложена модель на основе отрицательного биномиального распределения для числа хаотических выбросов в генераторе хаоса, которая позволяет определить порог принятия решения и реализовать обнаружитель на его основе с заданными характеристиками (вероятностями ложного срабатывания и правильного обнаружения);

д) определены условия, при которых предлагаемый обнаружитель имеет преимущество перед близким аналогом. Установлено, что при действии аддитивных (с логнормаль-

ным распределением огибающей 1пЫ(^1П, о^), с параметрами = -7,9 и о2 = 1,5) и мультипликативного (с распределением Рэлея /д(х, ан), с параметром масштаба Од = 10-3) негауссовских помех, соотношении сигнал/помеха д = 1, относительной ширине частотной полосы у = 0,1 помехи и прочих равных условиях, вероятность ложных срабатываний на порядок меньше, чем у обнаружителя в шумах неизвестной интенсивности;

е) разработаны структурные схемы амплитудного, частотного и параметрического вариантов обнаружителей и приборов на основе неавтономного генератора хаоса Murali-Lakshmanan-Chua.

4. Экспериментальные исследования подтвердили основные теоретические положения, что позволило выработать конкретные рекомендации по инженерному расчёту параметров неавтономного генератора хаоса Murali-Lakshmanan-Chua и конструированию приборов на его основе.

5. В результате проведённых исследований разработан новый метод контроля и созданы макеты датчиков с обнаружителем на основе генератора хаоса, предназначенные для обнаружения, регистрации наличия или подсчёта объектов технического контроля в тяжёлых условиях эксплуатации. В частности, фотоэлектрический прибор для подсчёта количества изделий при производстве полимеров под давлением был внедрен на предприятии ООО «Унипак» г. Барнаула. Эксплуатация данного устройства в условиях высоких температур и запыленности продемонстрировала повышение надежности за счёт выведения из зоны действия внешних дестабилизирующих факторов и стабильности работы устройства данного типа по сравнению со штатным датчиком.

В качестве дальнейшей разработки темы следует указать на перспективность исследований в области создания датчиков на основе связанных генераторов хаоса. Это может найти применение в приборах, работающих на излучение - приём случайных сигналов генератора хаоса. Излучение сигнала может осуществляться одним генератором хаоса, а приём - другим. Широкая полоса частот и шумоподобный спектр сигнала генератора хаоса позволят повысить помехоустойчивость приборов, и упростить обработку принятого сигнала.

Список сокращений и условных обозначений

Список сокращений АРП - адаптивная регулировка порогового уровня; АРУ - система автоматической регулировки усиления по ГОСТ 24375-80 АЧХ - амплитудно-частотная характеристика по ГОСТ Р 52002-2003; ГХ - генератор детерминированного хаоса; ИК - инфракрасный; ЛЧМ - линейная частотная модуляция;

ОГ - опорный генератор - синусоидальный источник внутреннего вынуждающего воздействия неавтономного генератора хаоса ОГХ - обнаружитель на основе генератора детерминированного хаоса; ОУ - операционный усилитель;

ПИП - первичный измерительный преобразователь по ГОСТ Р 8.673-2009 СКО - среднее квадратическое отклонение; ФД - фотодиод;

ФНЧ - фильтр нижних частот по ГОСТ 24375-80; ФПУ - фотоприёмное устройство по ГОСТ 21934-83; ФЭД - фотоэлектрический датчик; ЭЭСЗ - эквивалентная электрическая схема замещения.

MLC-цепь - генератор хаоса, предложенный K.Murali, M.Lakshmanan (Индия) и L.O.Chua (США);

Условные буквенные обозначения

А - амплитуда гармонического воздействия в неавтономном генераторе хаоса;

А0 - амплитуда опорного генератора;

Акр - критическое значение амплитуды, при котором происходит бифуркация;

а,Ъ - коэффициенты крутизны нелинейной характеристики диода Чуа в безразмерной форме;

В - частотная полоса помех [Гц];

Ви - частотная полоса радиоимпульса [Гц];

Вр - напряжение, при котором происходит излом характеристики диода Чуа [В];

С - ёмкость в MLC-цепи [Ф];

Ср - ёмкость фотодиода [Ф];

С0 - статическая ёмкость в ЭЭСЗ пьезоэлемента;

Cq, Rq, Lq - динамические величины в ЭЭСЗ пьезоэлемента;

DC - нелинейный элемент (диод Чуа) в электрической MLC-цепи;

D,0, -D - точки равновесия;

d, d(r) - амплитуда обнаруживаемого сигнала в безразмерных уравнениях; Е - энергия обнаруживаемого сигнала [Дж];

Erp - напряжение теплового шума трансимпедансного усилителя [В];

EnF - напряжение теплового шума, обусловленное сопротивлением обратной связи в трансим-

педансном усилителе [В]; ЕПС1,2 - напряжение полезного сигнала на выходе усилителя [В]; EnvD , EnVDb EnVD2 - напряжение на выходе трансимпедансного усилителя [В]; ЕТп 1,2 - общее действующее напряжение помех на выходе фотоприёмника [В]; Ee - облучённость фотоприёмника [Вт/м ]; е- - заряд электрона 1.60217662 х 10-19 Кл; f - частота опорного генератора [Гц];

f - частота третьей субгармоники в параметрическом варианте датчика [Гц]; /R(d, Од)- функция плотности распределения вероятности Релея; G - проводимость линейного элемента в MLC-цепи [См];

Ga, Gb - проводимость нелинейного элемента на внутреннем и внешнем участке характеристики диода Чуа [См];

9, 9вх, 9вых, 911, 912, 921, 922 - отношение сигнал/помеха; дд - ускорение свободного падения

[м/с2];

Но, Н1 - гипотеза соответствующая отсутствию или наличию полезного сигнала в принятом колебании;

h - порог принятия решения корреляционного обнаружителя [В]; h' - порог принятия решения в ОГХ;

^ - расстояние свободного падения контролируемого объекта [м]; Id - темновой ток фотодиода [А]; Iph - фототок [А];