Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты — Задание

зачем делать электронную румкоррекцию / Stereo.ru

Для поиска проблем следует использовать специальные измерительные приборы или программные продукты — REW, ARTA и другие. Благо их достаточно на рынке — созданных энтузиастами и распространяющихся бесплатно. Я обычно работаю с программой REW и USB-микрофоном Umic-1 или использую румкорректор-кроссовер Trinnov ST2 из своей домашней стереосистемы. Последний удобен тем, что показывает результаты наглядными графиками и позволяет проконтролировать не только стандартные характеристики (АЧХ и ФЧХ), но и так называемые «безэховые» измерения АЧХ, импульсную характеристику, групповое время задержки и время отклика комнаты в зависимости от частоты. Изучение и сопоставление полученных данных помогают определить дефекты системы и наметить пути ее улучшения.

Влияние комнаты

Начать, пожалуй, следует с показательного графика, на котором совмещены кривые АЧХ системы с учетом отклика комнаты (сиреневый цвет) и т.н. «безэховые» измерения, где влияние комнаты максимально отброшено из рассмотрения. Прошу обратить внимание, что цена деления — 5 дБ, и средняя разница между АЧХ прямого звука и общей АЧХ составляет примерно 6 дБ по НЧ/СЧ диапазону — это и есть влияние комнаты на звук. Т.е. данное помещение практически удваивает звуковое давление от АС, причем делает это с некоторой задержкой. Комната для рассмотрения выбрана стандартная: 24 кв.м., ковер на полу, мягкий диван, пара кресел, пенополистороловые плиты на потолке — вот и все звукопоглощение.

Вот как отклик этой же комнаты (реакция на импульс) выглядит во времени:

По вертикали — частота, по горизонтали — время в миллисекундах, цветом обозначена амплитуда в дБ

Здесь показана реакция комнаты на одиночный импульс. Когда музыка закончилась, комната продолжает играть сама по себе. График показывает, что затухание звука в басах происходит более чем 0,6 секунды!

В итоге становится ясно, что комната влияет на звучание системы, и слушатель это заметит и в составе самого звука (ранние отражения), и как эффект эха.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Наш слух устроен таким образом, что мы не всегда воспринимаем влияние комнаты как помеху. Подсознательно человек пытается определить, где он находится, и делает это обычно по реверберационным призвукам, сопровождающим любой звук в помещении. Предположительно навык этот достался нам от далеких предков, живших в пещерах.

В домашних условиях получается, что слушатель воспринимает как бы два пространства одновременно: комнату, где он находится, и комнату, в которой проводилась запись (или имитацию пространства искусственной реверберацией, добавленную в студии). Вообще такое «раздвоение» приводит к дискомфорту, поэтому лучше, конечно, двойственность эту исключить, т.е. сделать в акустической обработке помещения упор на рассеивание или на поглощение звука. Это если мы говорим о комнате для прослушивания музыки. Ранее я писал, что в кинозалах такого выбора нет — там корректно делать только заглушение. Но это уже относится к акустической обработке, поэтому вернусь к теме статьи — электронной коррекции помещения.

Аналог и цифра

Для стереосистем наличие аудиопроцессора — большая редкость. Корни этого явления растут из главной аудиофильской догмы — «максимально короткого тракта», который подразумевает минимальный набор элементов в системе — только самое необходимое. Ведь нередко из тракта изымают не только регуляторы тембра, но даже регулировку громкости! И при этом забывают, что такой аудиофильский тракт (как, впрочем, и любой другой) требует специальной акустической комнаты для прослушивания. Для подобных помещений существуют стандарты, которые нормируют время спадания звука до уровня -60 дБ (акустический параметр RT60). Однако для этого потребуются дополнительные вложения — свободное пространство, отделенная комната и т.п. Поэтому чаще всего акустическая обработка напрочь отсутствует или сводится к минимуму: ковер на полу, мягкая мебель, шторы, значительно реже — рассеиватели в зонах первых отражений. Вот в этом случае особенно полезна будет румкоррекция для устранения неполадок, особенно в НЧ-диапазоне.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание

Фанаты аналогового звука самого высокого класса могут попытаться найти студийные аналоговые параметрические фильтры на вторичном рынке или заказать прибор мастерам — современного производства такой техники практически не осталось.

Намного проще использовать цифровую технику, тем более, выбор здесь большой: от компьютера с программой, студийных процессоров — до аппаратов, специально предназначенных для румкорреции (как DEQX, Trinnov, MiniDSP, DSPeaker и прочих) на любой вкус и кошелек. Иногда такие процессоры имеют дополнительные возможности, как сетевые проигрыватели, встроенные кроссоверы, различные «улучшайзеры» звука. И наконец, современные AV-рессиверы и процессоры мультиканального звука практически всегда оснащены алгоритмами румкоррекции, из популярных — Dirac и Audyssey с возможностями ручной подстройки и параметрическими фильтрами. Более дорогие решения могут использовать алгоритмы Trinnov, а например, в комплект JBL Synthesis сразу входят студийные процессоры BBS с оригинальным софтом. Кстати, цифровые аудиопроцессоры часто оснащаются аналоговыми входами.

Шесть шагов к лучшему звуку

Теперь ответим на вопрос: что именно можно (и нужно) корректировать в домашней системе звуковоспроизведения?

1. На первое место я бы поставил выраженные комнатные резонансы, они мешают прослушиванию больше всего, поскольку никогда не воспринимаются как органичная часть звука, существуют отдельно от него, и это постоянное «подгуживание» комнаты на одном и том же тоне быстро утомляет слушателя. Вот как выглядит типичный комнатный резонанс на графике АЧХ системы до и после его коррекции (верхний и нижний графики соответственно):

На частоте 45 Гц амплитуда комнатного резонанса достигает 20 дБ! От этого гудения можно избавиться, если «вырезать» резонансный пик параметрическим эквалайзером.

Параметрический эквалайзер регулирует уровень звука на заданной частоте, и можно определять ширину этой частотной полосы (добротность), в отличие от более простого «графического» эквалайзера, имеющего фиксированную сетку частот и полосы регулировки.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Широко распространенный «третьоктавный» эквалайзер, как следует из его названия, имеет добротность в 1/3 октавы, в то время как на низких частотах комнатные резонансные пики имеют типичную добротность в 1/10-1/12 октавы. Другими словами, для решения типичных проблем третьоктавный эквалайзер не подойдет.

Однако у параметрических эквалайзеров есть и свой недостаток — мы удаляем из прямого звука ту ноту, на которой «возбуждается» помещение. Но в итоге мы все же слышим эту ноту после того, как она отразится от стен, срезонирует и восстановится в исходной громкости. Из-за этой задержки и считается, что лучше вообще не делать электронную коррекцию комнаты. Однако как иначе убрать показанный выше пик АЧХ на 45 герцах? Построить акустические поглотители такого размера нереально. Поэтому из двух зол мы выбираем меньшее. Стоит отметить, что алгоритм Trinnov для подавления низкочастотных резонансов использует специальные техники, как подавление первичных отражений с помощью генерируемых импульсов, которые подаются в противофазе к месту прослушивания и управление амплитудой путем сдвига фазы одной из АС в НЧ-диапазоне.

2. На втором месте по нежелательному влиянию — отражения от близких поверхностей, т.н. SBIR-эффект (Speaker Boundary Interference Response). В статье по строительству ДК я уже описывал этот эффект, приводящий к глубоким провалам и подъемам АЧХ системы. В отличие от комнатных резонансов, SBIR-эффект приходит с минимальной задержкой, поэтому его можно корректировать электронным способом без нежелательных последствий для звука. Для этого применяются звуковые процессоры разных типов: они позволяют формировать АЧХ системы, в том числе параметрические фильтры лишь с одной оговоркой — пики звука, вызванные SBIR-ээфектом, регулируются легко, а с провалами ситуация иная. «Вытянуть» частоту можно, если только каждый элемент системы (предусилитель, мощник, АС) позволит передать эту самую усиленную часть сигнала без искажений. Система должна иметь запас по перегрузке для подобной коррекции.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Поэтому, как правило, для исправления «провалов» в АЧХ не используют усиление больше 6 дБ. А если «провал» ушел вглубь на -10 или -20 дБ, его лучше вообще не корректировать, в противном случае это даст только отрицательный эффект.

3. Третьим пунктом станет коррекция краев частотного диапазона. В данном случае мы изменяем прямой сигнал, поэтому можно использовать любой алгоритм из тех, что есть в системе. Сравнительно легко немного расширить низкочастотный диапазон системы (при наличии запаса по перегрузке), а вот в высокочастотном лучше ничего не трогать: верхняя граница определяется физическими параметрами динамиков, и попытка коррекции лишь увеличит искажения.

4. Дальше нужно корректировать дефекты АЧХ самой системы — обычно это сопряжение кроссоверов в колонке и ее резонансы. СЧ/ВЧ-диапазон можно регулировать с помощью тех же параметрических эквалайзеров, но делать это нужно осторожно, чтобы не навредить звучанию — не более двух-трех фильтров на диапазон, и ни в коем случае фильтры не должны пересекаться на одной частоте, потому что возникнет «излом» фазы, который испортит звук. Для более точной коррекции лучше применять процессоры, способные управлять АЧХ, не меняя фазу сигнала.

5. Пятый пункт — коррекция тонального баланса с учетом влияния комнаты. Здесь уже параметрические фильтры не подойдут, нужно использовать процессор, позволяющий задать требуемый наклон АЧХ и частоты, с которой этот наклон начинается. Данный функционал встречается даже в недорогих ресиверах и процессорах (т.н. «параметрический регулятор тембра»), но для максимального качества я бы советовал использовать специальные звуковые процессоры, пришедшие из профессионального звука, у которых есть сразу несколько типов эквализации. Ниже на картинке — типичная форма целевой кривой (форма АЧХ на месте прослушивания, к которой надо стремиться) в большинстве случаев. В зависимости от комнаты и ее акустической обработки может варьироваться подъем на низких частотах и спад на высоких. Некоторые модели АС позволяют задавать спад/подъем частотной характеристики в области СЧ/ВЧ специальными регуляторами или переключателями, их также следует использовать для коррекции тонального баланса.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание

6. Наконец, большинство процессоров румкоррекции позволяет точно делить спектр на полосы — т.н. «активный кроссовер». Его можно использовать для создания мультиампингового подключения, когда пассивные фильтры исключаются из акустической системы, а поделенный на частотные полосы сигнал подается на раздельные усилители по одному на каждый динамик. Такую реализацию мы часто видим в профессиональном аудио: именно она позволяет значительно повысить качество звучания АС и лучше настроить их под особенности комнаты. Понятно, что этот способ требует увеличить количество каналов усиления.

Все вместе

Лучший результат достигается в условиях, когда акустическая обработка комнаты дополнена электронной румкоррекцией на низких частотах, где акустическая обработка попросту неэффективна. В свою очередь, электронная коррекция СЧ/ВЧ-диапазонов может привнести нежелательные искажения в звук, и наоборот, акустическая обработка не потребует больших вложений.

Цифровые процессоры румкоррекции могут очень сильно улучшить качество звучания, если вместе с ними использовать активные кроссоверы и собрать мультиампинговую систему.

В NIST разработан лазерный акселерометр, не нуждающийся в калибровке | Новости

Отвечая на растущую потребность в точном измерении ускорения для малогабаритных систем инерциальной навигации, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали акселерометр толщиной всего один миллиметр, который использует для генерации сигнала лазерный свет вместо механической деформации.

Он состоит из двух кремниевых чипов. На первом, на системе кремниевых упоров, подвешена контрольная масса с зеркальным покрытием, которая может свободно двигаться относительно неподвижного второго чипа, снабжённого встроенным вогнутым зеркалом. Если контрольная масса перемещается в ответ на ускорение, расстояние между зеркалами изменяется, смещая резонансную длину волны инфракрасного света внутри полости. Сравнивая частоту лазера с резонансной частотой полости, можно определить ускорение устройства.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание

Такое устройство, называемое оптомеханическим акселерометром, превосходит в точности лучшие коммерческие аналоги и, вдобавок, не требует калибровки. Эта последняя особенность уникальна — все коммерческие акселерометры необходимо регулярно подвергать длительной и дорогостоящей процедуре калибровки. Благодаря использованию лазерного света известной частоты, новый оптомеханический датчик может в конечном итоге стать портативным эталоном для калибровки других акселерометров.

Разработанная конструкция имеет простой динамический отклик гармонического осциллятора в рабочем диапазоне частот — от 1 до 20 килогерц. Это позволило добиться наивысшей точности измерений — до 32 миллиардных G (ускорения силы тяжести) — среди всех акселерометров таких габаритов, представленных на рынке.

Повышению точности инструмента способствовало также применение авторами оптической частотной гребёнки для регистрации изменений длины полости вплоть до 1/100000 доли диаметра атома водорода. С момента публикации своего исследования они внесли ряд улучшений, которые дополнительно снижают ошибку их устройства почти до 1%.

Замовлення хмари в декілька кліків. UCloud запустив хмарний чат бот!

Измерение вибрации

Условия выбора одного из параметров механических колебаний

Применение вибродатчика, чувствительного к ускорению, дает возможность измерения и анализа не только ускорения, а также скорости и смещения механических колебаний. Нужное преобразование ускорения в скорость и смещение обеспечивают электронные интеграторы, которыми снабжено большинство современных виброизмерительных приборов.

При одноразовом измерении механических колебаний с широкой частотной полосой играет важную роль определяемый параметр, в частности тогда, когда подлежащий измерению процесс содержит много составляющих с разными частотами.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Измерение смещения приводит к подчеркиванию составляющих с низкими частотами, в то время как измерение ускорения результирует в подчеркивании значения высокочастотных составляющих. Опытом подтверждено, что общее среднеквадратичное значение скорости, измеряемое в частотном диапазоне от 10 до 1000 Гц, наиболее точно отображает строгость и опасность механических
колебаний. Возможным объяснением этого эмпирического правила является соответствие определенного уровня скорости определенному уровню энергии, так что низкочастотные и высокочастотные составляющие исследуемого процесса имеют с точки зрения энергии колебаний идентичные значения (вес).

Отметим, что большинство встречающихся на практике машин генерирует механические колебания с плоским и почти линейным частотным спектром скорости. При узкополосном частотном анализе проявляется применение того или иного параметра только наклоном строящейся на бумаге регистрирующего прибора спектрограммы (см. график в центре предыдущей страницы).

Следовательно, можно вывести практическое правило: всегда предпочтительно применять тот параметр механических колебаний, частотный спектр которого имеет вид плоской кривой. Это автоматически обеспечивает оптимальную эксплуатацию виброизмерительной аппаратуры, в частности с точки зрения ее рабочего динамического диапазона, т. е. диапазона с пределами, равными наибольшему и наименьшему значениям, надежно и точно измеряемым данной аппаратурой.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание В соответствии с этим правилом предпочтение при частотном анализе обычно отдается ускорению или скорости механических колебаний.

Так как измерение ускорения сопровождается подчеркиванием высокочастотных составляющих исследуемого процесса, ускорению механических колебаний отдается предпочтение при измерении и анализе в диапазоне, перекрывающем область высоких частот.

К характерным свойствам механических систем относится то, что заметные смещения происходят только медленно, т. е. их составляющие находятся только в области низких частот. Следовательно, измерение и анализ смещения не являются задачами первостепенной важности при общем исследовании механических колебаний. Однако, смещение играет важную роль у машин и механизмов, сконструированных с учетом малых зазоров между отдельными элементами и деталями. Смещение также часто служит параметром при балансировке вращающихся элементов, так как относительно большие смещения наблюдаются на частоте вращения балансируемой детали. Отметим, что эта частота является наиболее важной при балансировке.

BondMaster 600 | Olympus IMS

BondMaster 600 — Многорежимный дефектоскоп композитных материалов

Высокое качество и простота эксплуатации

Дефектоскоп BondMaster® 600 сочетает в себе многофункциональное программное обеспечение и
высокоэффективные электронные схемы, обеспечивающие высокое качество сигналов.
Благодаря клавишам прямого доступа, упрощенному интерфейсу и предустановленным
настройкам для основных приложений, BondMaster 600 обеспечивает исключительную простоту в
использовании: будь то контроль композитных материалов и конструкций с сотовым
наполнителем, контроль многослойных материалов или контроль клеевых
соединений металлических изделий.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Улучшенный пользовательский интерфейс и
упрощенная эксплуатация BondMaster 600 делают процедуры архивирования и создания отчетов
доступными для пользователя любого уровня подготовки.

Высокая разрешающая способность и яркость 5,7-дюймового VGA-дисплея BondMaster 600 еще больше
подчеркивается в полноэкранном режиме дефектоскопа. Полноэкранный режим
активируется простым нажатием клавиши и доступен вне зависимости от текущего
режима отображения или метода контроля. Дефектоскоп BondMaster 600 позволяет работать в
разных режимах, включая раздельно-совмещенный (РЧ, импульс, качающаяся частота),
резонансный, а также усовершенствованный режим MIA (анализ механического импеданса
— АМИ).

Портативный, прочный и эргономичный

Эргономичный дизайн BondMaster 600 очень удобен при контроле труднодоступных участков.
При контроле в ограниченном пространстве ремень на запястье обеспечивает
максимальный комфорт, сохраняя доступ к самым важным функциям.

Проверенный на практике

Многократно испытанный корпус прибора BondMaster 600 специально спроектирован для
длительной эксплуатации в жестких полевых условиях. BondMaster 600 с герметичным корпусом,
снабженным ударопоглощающими накладками и подставкой (одновременно служащей
крючком для фиксации прибора в удобном для работы положении) отличается
длительным временем работы от аккумулятора и является незаменимым инструментом
для контроля сложных, труднодоступных участков.

Основные характеристики

  • Соответствует требованиям стандарта IP66.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание
  • Продолжительное время работы от аккумулятора (до 9 часов)
  • Совместим с существующими преобразователями BondMaster (PowerLink) и преобразователями других
    производителей
  • Яркий 5,7-дюймовый (14,5 см) VGA-дисплей
  • Вывод изображения на полный экран в любом режиме работы
  • Интуитивный интерфейс с возможностью выбора готовых настроек под основные
    приложения
  • Быстрый выбор режима отображения с помощью клавиши RUN
  • Новый режим отображения СКАН (профиль).
  • Новый режим отображения СПЕКТР с функцией отслеживания частоты
  • Настройка усиления с помощью клавиш прямого доступа.
  • Доступ ко всем настройкам прибора на одной странице
  • Отображение до двух значений в режиме реального времени
  • Емкость памяти: до 500 файлов (настроек и файлов данных).
  • Просмотр содержимого файлов в приборе без использования дополнительного
    программного обеспечения

Две модели для обеспечения большей гибкости и совместимости

BondMaster 600 представлен двумя моделями для удобства пользователя и в зависимости от задач
контроля. Базовая модель включает все функции режима Р-С, тогда как модель B600M
предоставляет возможность контроля во всех доступных режимах. Переход от
базовой к многорежимной модели может быть выполнен удаленно.

Обе модели BondMaster 600 совместимы с существующими преобразователями, включая
преобразователи PowerLink. В наличии имеются кабели-адаптеры (опция) для подключения
преобразователей других производителей.

ПрименениеРекомендуемый метод
Отслоение обшивки от сотового наполнителя Р-С (РЧ или Импульс)
Отслоение обшивки от сотового наполнителя в конических конструкциях или
непостоянной геометрии
Р-С (Качающаяся частота)
Небольшие отслоения обшивки от сотового наполнителя MIA
Идентификация отремонтированных участков в композитных материалах с сотовым
наполнителем
MIA
Обнаружение расслоений в композитных материалах Резонансный метод
Контроль качества клеевых соединений металлических изделий Резонансный метод
ФункцияB600 (базовая модель)B600M (многорежимная модель)
Калибровка сигналов в режиме Фиксации
Отображение показаний в режиме реального времени
Выбор приложения
Поддержка преобразователей с технологией PowerLink
Раздельно-совмещенный режим (РЧ и Импульс)
Раздельно-совмещенный режим (Качающаяся частота)
Анализ механического импеданса (MIA)
Резонансный режим

(включает кабель)
Меню Калибровка (Резонансный режим и MIA)

Приставка к генератору для измерения резонансной частоты контура с повышенной точностью

Предлагаемая приставка — по существу измеритель резонансной частоты последовательного колебательного контура, в котором, кроме измеряемой индуктивности, обязательно имеется конденсатор известной ёмкости.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Контур связан с внешним генератором немодулированных синусоидальных колебаний через резистор. Измерив резонансную частоту контура по минимуму напряжения на нём (грубо) или по совпадению фаз тока, протекающего через контур, и приложенного к нему напряжения (точно), индуктивность определяют расчётом. Приставка позволяет при необходимости измерять индуктивность на той частоте, для работы на которой предназначена катушка, а также измерять ёмкость конденсаторов и подгонять параметры элементов контура для настройки его на заданную частоту.

В предлагаемой приставке аналогичного назначения, описанной в [1], был использован последовательный колебательный контур, связанный с генератором ГСС-6 через резисторный аттенюатор из его комплекта. Частоту резонанса контура определяли по максимуму напряжения на его конденсаторе. В [2] рассказано о методе измерения резонансной частоты колебательных контуров (параллельного или последовательного), связанных с генератором через резистор, причём момент резонанса предложено определять по минимуму напряжения.

В предлагаемой приставке измеряемая индуктивность входит в состав последовательного колебательного контура, также связанного с генератором через резистор. Момент резонанса контура грубо определяют по минимуму падения напряжения на контуре. Входящий в состав приставки фазометр сравнивает фазу сигнала генератора с фазой протекающего через контур тока. Момент резонанса контура определяют по нулевой разности фаз. Это существенно повышает точность измерения. Милливольтметр и фазометр имеют общий переключаемый стрелочный индикатор.

Основные технические характеристики

Измеряемая индуктивность, мкГн……………..0,1…100000

Входное сопротивление канала образцового напряжения, Ом ………………..50

Входное сопротивление измерительного канала при резонансе, Ом, не менее …….50

Пределы измерения встроенного милливольтметра, мВэфф……………..100,1000

Измеряемая разность фаз, градусов…Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание ……………0-180

Напряжение питания, В …………5

Потребляемый ток, мА, не более …………………..350

Для работы с приставкой был использован генератор сигналов АКИП3409/4, имеющий два выхода с раздельной регулировкой напряжения и начальных фаз генерируемых сигналов. Он особенно удобен при налаживании приставки.

Используемый генератор должен иметь параметры не хуже следующих:

— синусоидальный немодулирован-ный сигнал с коэффициентом гармоник не более 5 % и без постоянной составляющей;

— частота, перестраиваемая в окрестности предполагаемой резонансной частоты контура, образованного измеряемой катушкой и образцовым конденсатором;

— цифровой отсчёт частоты или возможность подключения внешнего частотомера;

— уход частоты за 15 мин после тридцатиминутного самопрогрева не более 2,5-10 f + 50 Гц, где f — частота генератора;

— выходное напряжение на нагрузке 50 Ом не менее 1 Вэфф.

Напряжение на колебательном контуре и сдвиг его фазы относительно приложенного к измерительной цепи напряжения измеряют имеющиеся в приставке милливольтметр и фазометр со стрелочной индикацией показаний. На знак разности фаз (опережение или отставание) указывает соответственно красное или синее свечение имеющегося в приставке светодиода. Фазометр и индикатор знака разности фаз можно использовать и по прямому назначению.

Рис. 1. Схема приставки

Схема приставки изображена на рис. 1. Высокочастотный милливольтметр построен по схеме «усилитель переменного тока — детектор — усилитель постоянного тока». Его входное сопротивление — 3 МОм, входная ёмкость — 4 пФ. Пределы измерения 0-100 мВэфф и 0-1000 мВэфф выбирают переключателем SA1. Входной усилитель милливольтметра выполнен на транзисторах VT1 и VT2 по каскодной схеме. Напряжение +2,5 В на затворе транзистора VT1 стабилизировано интегральным источником образцового напряжения DA1. На затвор транзистора VT2 подано отрицательное напряжение смещения, устанавливаемое под-строечным резистором R3.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Усиленное напряжение высокой частоты поступает через конденсатор C14 на детектор (диод VD1) и далее через ФНЧ R15C16 на усилитель постоянного тока на ОУ DA5. В режиме измерения напряжения переключателем SA2.1 к выходу этого ОУ подключён стрелочный микроамперметр PA1. Для защиты индикатора от перегрузок установлен диод VD3.

Поскольку детекторная характеристика диода при малых значениях приложенного к нему переменного напряжения нелинейна, нелинейной получается и шкала прибора. В рассматриваемом случае это не существенно, так как требуется лишь найти частоту, на которой показания милливольтметра минимальны. В результате нелинейности детектора и отношение сопротивлений резисторов обратной связи R17 и R18 далеко от отношения верхних границ соответствующих пределов измерения.

Основа фазометра — фазовый детектор на логическом узле «Исключающее ИЛИ» из элементов DD1.1-DD1.3. Входные импульсные последовательности для него формируют быстродействующие компараторы напряжения DA2 и DA3, служащие детекторами переходов входного напряжения через ноль.

Постоянную составляющую импульсного напряжения с выхода фазового детектора (выхода элемента DD1.3) выделяет интегрирующая цепь R26C25. Одну из слагаемых этой составляющей — не равное нулю напряжение низкого логического уровня на выходе элемента DD1.3 — компенсирует напряжение, поступающее на неинвертирующий вход ОУ DA6 с движка подстроечного резистора R32. С помощью переключателя SA3 эту поправку изменяют в зависимости от частоты измеряемого сигнала. В режиме измерения разности фаз микроамперметр PA1 подключён к выходу ОУ DA6.

Детектор знака разности фаз построен на основе фазо-частотного детектора, образованного D-триггерами DD2.1 и DD2.2 и логическим элементом DD1.4. Входные импульсные последовательности для него те же, что и для фазового детектора.

На выходе одного из триггеров при ненулевой разности фаз входных последовательностей будут следовать с частотой входных сигналов импульсы, коэффициент заполнения которых пропорционален разности фаз.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание В это время на выходе другого триггера импульсы будут очень короткими, длительностью, зависящей от быстродействия триггеров и логического элемента. При совпадении фаз такие короткие импульсы присутствуют на выходах обоих триггеров. Следовательно, постоянные составляющие сигналов на выходах триггеров, выделенные интегрирующими цепями R24C23 и R25C24 и поданные на входы компаратора напряжения DA7, будут существенно разными при несовпадении фаз и одинаковыми при их совпадении.

Компаратор, непрерывно сравнивая напряжения на своих входах, управляет реле K1. Если фаза сигнала на входе компаратора DA2 опережает фазу сигнала на входе компаратора DA3, контакты реле K1.1 включают красный кристалл светодиода HL1. Когда соотношение фаз этих сигналов обратное, вместо красного включён синий кристалл светодиода HL1. При измерении напряжения цепь питания реле K1 разорвана контактами переключателя SA2.2 и включён зелёный кристалл светодиода.

Неизбежную ошибку сравнения фаз необходимо скомпенсировать с помощью подстроечного резистора R36, доведя её до 1…2°. Во избежание неопределённости вблизи резонанса при первом же срабатывании компаратора реле K1 блокируют замкнувшиеся контакты K1.2. Цепь блокировки можно разорвать нажатием на кнопку SB1 или переводом приставки в режим милливольтметра. Ни ошибки сравнения компаратора DA7, ни самоблокировка реле K1 не отражаются на точности измерения разности фаз описанным выше фазометром.

Для получения необходимого для питания ОУ приставки напряжения -5 В использован инвертор полярности на основе ШИ-контроллера DA4 с внешним полевым транзистором VT3. Поскольку частота преобразования выбрана небольшой (3 кГц), применено простейшее управление затвором транзистора VT3.

Приставка собрана в литом алюминиевом корпусе G0476 размерами 82,5×152,4×50,8 мм. Почти все её детали смонтированы на печатной плате размерами 90×75 мм, чертёж печатных проводников которой приведён на рис. 2, а схема расположения элементов на нёй — на рис. 3. Плату надевают на выводы микроамперметра PA1 и закрепляют на них гайками.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Общий провод соединён с корпусом устройства.

Рис. 2. Печатная плата приставки

Рис. 3. Схема расположения элементов на плате

Непосредственно на корпусе размещены разъёмы XS1, XW1 и XW2, зажимы XT1, XT2, зажим заземления, переключатели SA1-SA3, кнопка SB1 и светодиод HL1. Резисторы R4, R5 и R8 смонтированы на выводах разъёмов XW1 и XW2, а R37-R47 — на переключателе SA3.

Микроамперметр PA1 — М592 0- 100 мкА, переключатели SA1 — МТ-1, SA2 — МТ-3, SA3 — ПМ 11П1Н, кнопка SB1 — КМ1-1. Разъёмы XW1, XW2 — импортные приборные розетки BNC 50 Ом или отечественные СР-50-65ФВ. Зажимы XT1, XT2 — на основе импортного винтового зажимного блока для проводов сечением не более 1 мм2.

Реле K1 — РГК-14 исполнения Бг4.569.000-03. Дроссель L1 — AL0307. Дроссель L2 имеет тороидальный магнитопровод DT60-52 размерами 15,2×8,53×5,94 мм. На нём намотаны 85 витков провода ПЭТВ-0,2.

Постоянные резисторы — МЛТ или им подобные, за исключением R2 и R15 — КИМ-0,125 и резистора R14, изготовленного из подходящего высокоомного провода. Подстроечные резисторы R3, R22, r27, R32, R36 — 3266W мощностью 0,25 Вт. Все конденсаторы — импортные, C2 и C17 — оксидные, остальные — керамические.

Собранный без ошибок из исправных деталей инвертор полярности напряжения в налаживании не нуждается. Необходимо лишь проверить напряжение на его выходе, которое должно находиться в пределах -(5…5,2) В относительно общего провода.

Перед началом работы с приставкой необходимо её заземлить. Следует заземлить и работающий с ней генератор.

Налаживание приставки начните, не включая её, с отсоединения верхнего по схеме вывода и движка построечного резистора R27 от подвижного контакта переключателя SA2.1. Измеряя мультиметром в режиме омметра сопротивление между движком подстроечного резистора и общим проводом приставки, установите его равным 1 кОм. Во время измерения сопротивления ток через микроамперметр не должен значительно превышать ток максимального отклонения его стрелки.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание По завершении этой процедуры восстановите соединение подстроечного резистора R27 и переключателя SA2.1.

Включите приставку и переведите её переключателем SA2 в режим милливольтметра. В первую очередь, в отсутствие сигнала на входе подстроечным резистором R22 установите на ноль стрелку микроамперметра PA1.

Для налаживания милливольтметра потребуется генератор с регулируемым выходным напряжением, соединённый с разъёмом XS2 отрезком коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом и длиной не более метра. Установите частоту сигнала генератора 25 МГц и его напряжение 1 Вэфф. Переключатель SA1 переведите в верхнее по схеме положение. Подстроечным резистором R3 отрегулируйте смещение на затворе транзистора VT2 так, чтобы наблюдаемый с помощью осциллографа сигнал на стоке транзистора VT1 был неискажённой синусоидой. Подбирая резистор R17, установите напряжение на выходе ОУ DA5 равным 1 В.

Уменьшите напряжение на выходе генератора до 100 мВэфф и переведите переключатель SA1 в нижнее по схеме положение. Подборкой резистора R18 ещё раз установите напряжение на выходе ОУ DA5 равным 1 В. Резистор R23 необходимо подобрать таким, чтобы стрелка микроамперметра PA1 в обоих случаях отклонилась на всю шкалу.

Для калибровки фазометра необходимо временно отпаять любой вывод резистора R4 и соединить центральные контакты разъёмов XW1 и XW2 проволочной перемычкой. Генератор подключите к одному из этих разъёмов и установите на его выходе частоту 25 МГц при напряжении 1 Вэфф. Переключателем SA2 переведите приставку в режим измерения разности фаз. Переключатель SA3 установите в положение «<25 МГц».

При указанном на схеме номинальном сопротивлении резистора R47 добейтесь нулевых показаний микроамперметра PA1 подстроечным резистором R32. Если этого сделать не удаётся, необходимо заменить резистор R47 на резистор ближайшего номинала из рядов Е24 или Е48 и повторить установку нуля.

Далее, не изменяя положение движка построечного резистора R32, переводите переключатель SA3 поочерёдно во все положения от «<22,5 МГц» до «<0,25 МГц».Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Устанавливая частоту генератора, соответствующую положению переключателя, подбирайте резисторы R46-R37, добиваясь в каждом случае нулевых показаний микроамперметра.

Если имеется двухканальный генератор с регулировкой сдвига фаз между выходами, то снимите установленную ранее перемычку между разъёмами XW1, XW2 и припаяйте на место резистор R4. Соедините второй выход генератора с разъёмом XW1 точно таким же кабелем, каким подключён к разъёму XW2 его первый выход. Задайте сдвиг фазы любого из каналов 180о. Если такого генератора нет, необходимо будет временно отсоединить правые по схеме выводы резисторов R9 и R10 от входов 2 и 3 компаратора DA3 соответственно и подключить их к входам 3 и 2 компаратора DA2.

В положении переключателя SA3 «<0,25 МГц» установите частоту генератора равной этому значению. Резистор R34 подберите таким, чтобы стрелка микроамперметра PA1 отклонилась на всю шкалу. После этого нужно восстановить соединение резисторов R9 и R10.

Для налаживания детектора знака фазы желательно иметь генератор сигналов специальной формы АКИП 3409/4 или другой с близкими функциональными возможностями и параметрами. Подключите его к двум входам приставки, как было описано выше, и установите частоту сигнала равной 25 МГц при нулевом сдвиге фазы между каналами. Зафиксируйте кнопку SB1 в нажатом положении.

Изменяйте начальную фазу сигнала любого из каналов генератора до момента переключения реле K1 и изменения цвета свечения светодиода HL1. Небольшими изменениями фазы в окрестностях этого значения определите ширину зоны нечувствительности детектора фазы, а подстроечным резистором R36 добейтесь её минимума — не более 2,5о на частоте 25 МГц. С понижением частоты она станет меньше: 2о — на частоте 16 МГц, 1о — на частоте 2,5 МГц и ниже. После этого отпустите кнопку SB1. На точность измерения фазы фазометром приставки эта регулировка не влияет.

При отсутствии двухканального генератора нулевую разность фаз можно имитировать, закоротив перемычками конденсаторы C23 и С24.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Сделав это, движок подстроечного резистора R36 установите посередине между точками срабатывания и отпускания реле K1 (при нажатой кнопке SB1). Правда, измерить в градусах ширину зоны нечувствительности при этом уже не удастся.

Для измерения резонансной частоты колебательного контура приставку соединяют с генератором, как при калибровке фазометра. Однако, если предполагается использовать только амплитудный метод измерения, сигнал на разъём XS1 можно не подавать. Поскольку входная часть фазометра подключена постоянно, в режиме измерения фазы на выбранной рабочей частоте перед началом работы необходимо откорректировать фазу одного из каналов генератора, контролируя совпадение фаз по стрелочному индикатору РА1, при свободных зажимах ХТ1, ХТ2. О правильности знака коррекции свидетельствует включение элемента HL1 синего свечения.

Напряжение опорного канала не должно превышать 1 Вэфф, напряжение измерительного канала не должно превышать 3 Вэфф во всём рабочем диапазоне частот.

Делать это следует на частоте, близкой к предполагаемой резонансной частоте исследуемого контура.

Подключите этот контур к зажимам ХТ1 иХТ2. Резонанс найдите традиционно — изменением частоты генератора по минимуму показаний сначала милливольтметра, а затем более точно — фазометра. Зная резонансную частоту и ёмкость контура, по формулам, приведённым, например, в [1], [2] и [3], можно найти индуктивность и собственную ёмкость катушки.

Таблица

Катушка

L1

L2

L3

Расчётная (номинальная) индуктивность, мкГн

0,335

0,609

(12)

Контурная ёмкость, пФ

300±10 %

220±10 %

330±10 %

Резонансная частота, МГц

Расчётная с учётом разброса ёмкости

15,1.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание ..16,7

13,1…14,5

2,41.-2,66

Измеренная амплитудным методом (f0a)

15.9…16,2

14,03…14,1

2,264.-2,274

Измеренная фазовым методом (f)

16,0576…16,0624

14,065

2,27147

Вычисленная при номинальной ёмкости конденсатора индуктив­ность, мкГн

По f0a

0,322…0,334

0,579.-0,585

14,84.-14,98

По f

0,3272…0,3274

0,582

14,88

Результаты измерения резонансной частоты трёх контуров с разными катушками индуктивности (L1 и L2 изготовлены самостоятельно, L3 — стандартный дроссель) амплитудным (с помощью милливольтметра) и фазовым (с помощью фазометра) методами приведены в таблице. Измеренные резонансные частоты контуров указаны в ней как интервалы, в пределах которых показания микроамперметра PA1 оставались настолько близкими к минимуму (нулю), что точно определить значение резонансной частоты оказывалось невозможно. При фазовом методе измерения эта «мёртвая зона» значительно уже или вообще отсутствует, что свидетельствует о его повышенной точности.

Индуктивность катушек вычислена исходя из измеренной резонансной частоты и номинальной ёмкости конденсатора колебательного контура.

Литература

1. Пахомов Ю. Приставка к ГСС для измерения L и C. — Радио, 1964, № 6, с. 53, 54, 57.

2. Ильенко С. Простая настройка сложных LC-фильтров. — Радио, 2010, № 8, с. 27.

3. Винокуров В. И., Каплин С. И., Петелин И. Г. Электрорадиоизмерения. — М.: Высшая школа, 1986.

Автор: Д. Молоков, г.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Нижний Тагил Свердловской обл.

Новости

Решения Emerson.

Технологии измерения плотности жидкости.

24.03.2017

Технологические процессы в нефтегазовом секторе охватывают добычу, подготовку, распределение и переработку различного углеводородного сырья и газов и многое другое. Каждый из процессов имеет свои особенности, которые определяют архитектуру АСУ ТП и применяемые для ее реализации средства автоматизации. Каждая из отраслей предъявляет свои специальные требования к измерениям. Возможность реализации комплексных проектов АСУ ТП на предприятии большей частью зависит от трех ключевых элементов автоматизации: средств измерений, систем управления и регулирующего оборудования. Своевременное получение информации о процессе и диагностика средств измерения предоставляют пользователю множество преимуществ и повышают эффективность ведения процесса.

Плотномеры Micro Motion CDM задают новый стандарт в области измерения плотности в режиме реального времени и повышают качество технологических операций по транспортировке, переработке и смешению дорогостоящих продуктов, таких как сырая нефть, очищенные углеводороды, спирты и важнейшие рабочие жидкости. Производство консервативно в вопросе принятия новых технологий. Это и понятно: от успешности внедрения зависит очень многое, включая качество, эффективность, безопасность.

В работе преобразователей плотности жидкости Micro Motion (ранее Solartron, Mobrey Measurements) используется вибрационный принцип:

исходная резонансная частота колебаний вибрирующего элемента (трубка — для моделей проточного типа, камертонная вилка — для модели погружного типа) изменяется в зависимости от плотности проходящей через преобразователь жидкости.

Поддерживая эти колебания и измеряя их частоту электронными средствами, можно определить плотность жидкости.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание

В предыдущем поколении плотномеров 7835 (Solartron) колебательная система состояла из одной прямолинейной вибрирующей трубки, расположенной внутри плотномера. Плотномер 7835 в течение десятилетий являлся промышленным стандартом качества и точности среди плотномеров для коммерческого учета жидкостей, в частности, нефтепродуктов.

Принципы измерения различных параметров жидкости и газа, реализованные в преобразователях Micro Motion, многократно проверены международной практикой применения и соответствуют самым жестким требованиям метрологических стандартов.

Директива 2004/22/EC на Измерительные Приборы (Директива MID, Directive 2004/22/EC Measuring Instruments).

Данная директива стандартизирует 10 типов измерительных устройств, в частности, измерительных инструментов, используемых для непрерывного и динамического измерения параметров жидкостей (отличных от воды).

Преобразователь плотности жидкости Emerson Micro Motion CDM обеспечивает на выходе сигнал периода времени(частотный сигнал) TPS (Time Period Signal). Выход TPS является сертифицированным выходом по MID.

Физическое понятие плотности вещества определяется как отношение массы тела к занимаемому этим телом объему. Единица измерения плотности в СИ — кг/м3 и кратные единицы.

Характеристика плотности любого вещества зависит:

  • от массы атомов, находящихся в составе этого вещества;
  • от плотности компоновки соединений атомов, а также молекул в этом веществе.

ρ — плотность вещества, n — количество молекул,

m — масса одной молекулы,  V — объем тела, t° — температура

Наиболее актуальным и широко применяемым автоматизированным методом определения плотности является вибрационный метод. Плотномеры на базе вибрационного принципа характеризуются наибольшей точностью
(до 0,003 %) измерения и надежностью.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание

Плотномеры, работающие на вибрационном принципе, делятся на проточные и погружные, в зависимости от того, каким способом они контактируют с исследуемой средой.

Преимущества плотномеров, работающих на вибрационном принципе, состоят в следующем:

  • высокая точность измерения (до 0,003 %),
  • высокая стабильность (повторяемость) результатов,
  • малая зависимость от окружающих условий и влияния рабочей среды,
  • непрерывное измерение плотности в режиме реального времени,
  • работоспособность при высоких давлениях,
  • независимость от температуры благодаря встроенному датчику температуры, реализующему температурную компенсацию,
  • отсутствие движущихся частей позволяет создать прочную компактную конструкцию с малой массой.

Вынужденные колебания системы создаются и поддерживаются с помощью магнитных сил катушки возбуждения при прохождении через нее переменного электрического тока. При этом вторая катушка служит приемником, она регистрирует реальную частоту колебания.

При возбуждении поддерживаются колебания системы с ее собственной (резонансной) частотой, зависящей от массы системы, включая ее содержимое — то есть исследуемую жидкость.Так как объем измерительной системы постоянен — то частота собственных (резонансных) колебаний изменяется в зависимости от плотности жидкости, заполняющей трубки.

При увеличении плотности измеряемой среды, собственная (резонансная) частота колебаний трубок уменьшается, соответственно, при уменьшении массы измеряемой среды, собственная частота колебаний трубок увеличивается. Плотность прямо пропорциональна периоду колебаний сенсорных трубок.

В компактных плотномерах CDM для измерения плотности и расхода (скорости) используется технология измерений Micro Motion с двойной изогнутой трубкой.

На основании результатов измерений параметров колебаний чувствительных элементов преобразователя и электрического сопротивления термопреобразователей сопротивления встроенный электронный блок вычисляет плотность, расход и температуру рабочей среды.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Эти значения могут быть отображены на ЖК дисплее преобразователя и(или) переданы на внешние средства измерений и устройства, в том числе вычислители, устройства обработки и отображения информации, через выходные каналы и коммуникационные порты.

Калибровка плотности.

Измерительные преобразователи Micro Motion точно измеряют период времени. Измеренные периоды времени преобразуются в отсчеты плотности с помощью калибровочных коэффициентов измерителя. Несколько точек калибровки обеспечивают оптимальные эксплуатационные характеристики измерителя.

Диагностика измерителя.

Правильность измерений обеспечивается за счет технологии проверки по известной плотности (KDV) и других возможностей диагностики измерителя и установки.

Встроенный вторичный преобразователь.

Поддержка аналоговой связи (4–20 мА), связи по сигналам TPS интервала времени (частотный сигнал) и по протоколам HART, WirelessHART®, и Modbus RS-485, Foundation fieldbus.

Как избежать ошибок при измерении вибрации

ПОЛУЧИТЕ ПОЛНОЕ РУКОВОДСТВО
ИЗМЕРЕНИЕ ВИБРАЦИИ
ОТ BRÜEL & KJÆR

СКАЧАТЬ СЕЙЧАС

Резонансные ошибки акселерометра

Поскольку акселерометр обычно имеет повышенную чувствительность на высокочастотном конце из-за его резонанса, его выходной сигнал не будет давать истинного представления о вибрации в точке измерения на этих высоких частотах.

При частотном анализе сигнала вибрации можно легко распознать, что высокочастотный пик возникает из-за резонанса акселерометра, и поэтому игнорировать его.Но если взять общее широкополосное показание, которое включает резонанс акселерометра, это даст неточный результат, если в то же время измеряемая вибрация также будет иметь компоненты в области около резонансной частоты.

СОДЕРЖАНИЕ

  1. Ошибки резонанса акселерометра: как их избежать
  2. Монтажное положение акселерометра
  3. Установка акселерометра

Эта проблема решается выбором акселерометра с максимально широким частотным диапазоном и использованием фильтра нижних частот, который обычно входит в состав измерителей вибрации и предусилителей, для отсечения нежелательного сигнала, вызванного резонансом акселерометра.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание

Где измерения ограничиваются низкими частотами. высокочастотная вибрация и резонансные эффекты акселерометра, такие как перегрузки электроники, могут быть устранены с помощью механических фильтров. Они состоят из упругой среды, обычно резины, закрепленной между двумя установочными дисками, которая устанавливается между акселерометром и установочной поверхностью. Обычно они снижают верхний предел частоты до 0,5–5 кГц.

Монтажное положение акселерометра

ПОДРОБНЕЕ
ЗАЖИМЫ ДЛЯ МОНТАЖА АКСЕЛЕРОМЕТРА

Акселерометр должен быть установлен так, чтобы желаемое направление измерения совпадало с его главной осью чувствительности.Акселерометры также немного чувствительны к вибрациям в поперечном направлении, но обычно этим можно пренебречь, поскольку поперечная чувствительность обычно составляет менее 5% чувствительности главной оси.

Причина измерения вибрации на объекте обычно определяется положением точки измерения. В качестве примера возьмем корпус подшипника на чертеже. Здесь измерения ускорения используются для контроля рабочего состояния вала и подшипника. Акселерометр следует располагать таким образом, чтобы обеспечить прямой путь для вибрации подшипника.

Акселерометр «A», таким образом, обнаруживает сигнал вибрации от подшипника, преобладающий над вибрациями от других частей машины, но акселерометр «B» обнаруживает вибрацию подшипника, вероятно, измененную передачей через шарнир, смешанную с сигналами от других частей машины. . Точно так же акселерометр «C» расположен на более прямом пути, чем акселерометр «D».

Возникает также вопрос — в каком направлении следует проводить измерения на рассматриваемом элементе машины? Невозможно сформулировать общее правило, но, например, для показанного подшипника можно получить ценную информацию для целей мониторинга путем измерения как в осевом направлении, так и в одном из радиальных направлений, обычно в том, которое, как ожидается, будет иметь наименьшее значение.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание жесткость.

Реакция механических объектов на вынужденные колебания — сложное явление, поэтому можно ожидать, особенно на высоких частотах, для измерения существенно разных уровней вибрации и частотных спектров даже в соседних точках измерения на одном и том же элементе машины.

Монтаж акселерометра

Способ крепления акселерометра к точке измерения является одним из наиболее важных факторов для получения точных результатов практических измерений вибрации.Неаккуратный монтаж приводит к снижению установленной резонансной частоты, что может серьезно ограничить полезный частотный диапазон акселерометра.

Идеальный монтаж — это шпилька с резьбой на плоской гладкой поверхности, как показано на рисунке. Тонкий слой смазки, нанесенный на монтажную поверхность перед затяжкой акселерометра, обычно улучшает жесткость монтажа и, таким образом, обеспечивает установленную резонансную частоту, близкую к спецификации.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ
АКСЕЛЕРОМЕТР ТИПА 4533-B

Резьбовое отверстие в детали машины должно быть достаточно глубоким, чтобы шпилька не вошла в основание акселерометра.На верхнем рисунке показана типичная кривая отклика акселерометра общего назначения, установленного с помощью фиксирующей шпильки на плоской поверхности. Достигнутая резонансная частота почти равна установленной резонансной частоте 32 кГц, полученной при калибровке, когда монтажная поверхность абсолютно плоская и гладкая.

Обычно используемый альтернативный метод крепления — это использование тонкого слоя пчелиного воска для приклеивания акселерометра на место. Не забудьте выжать слой воска как можно сильнее, чтобы он получился очень тонким! Как видно из кривой отклика, резонансная частота снижена незначительно (до 29 кГц).Поскольку пчелиный воск становится мягким при более высоких температурах, метод ограничивается температурой около 40 ° C. На чистых поверхностях фиксация пчелиным воском применима до уровней ускорения около 100 м / с 2 .

Если на машине должны быть установлены постоянные точки измерения и не требуется сверлить и нарезать резьбу крепежные отверстия, можно использовать шпильки для цементирования.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Они прикрепляются к точке замера с помощью твердого клея. Рекомендуются эпоксидные и цианоакрилатные типы, поскольку мягкие клеи могут значительно уменьшить используемый частотный диапазон акселерометра.

Слюдяная шайба и изолированный стержень используются там, где корпус акселерометра должен быть электрически изолирован от объекта измерения. Обычно это делается для предотвращения контуров заземления, но об этом подробнее в разделе «Влияние окружающей среды». Тонкий ломтик следует очистить от прилагаемой толстой слюдяной шайбы. Этот метод крепления также дает хорошие результаты, резонансная частота тестового акселерометра снижается только примерно до 28 кГц.

Постоянный магнит — это простой метод крепления, при котором точкой измерения является плоская магнитная поверхность.Он также электрически изолирует акселерометр при использовании изолирующего диска. Этот метод снижает резонансную частоту тестового акселерометра примерно до 13–20 кГц в зависимости от того, используется ли изолирующий диск и от того, используется ли силиконовая смазка для монтажа, и, следовательно, не может использоваться для измерений намного выше 7–13 кГц. Удерживающей силы магнита достаточно для уровней вибрации до 1000 м / с 2 в зависимости от размера акселерометра.

Ручной зонд с установленным сверху акселерометром очень удобен для быстрой съемки, но может давать грубые ошибки измерения из-за низкой общей жесткости.Не следует ожидать повторяемых результатов. Следует использовать фильтр нижних частот, чтобы ограничить диапазон измерения примерно до 1000 Гц.

christandlg / AS3935MI / issues / # 9

Дорогие все,

Я тестирую свой AS3935 (CJMCU) с помощью примера скетча «AS3935_LightningDetector_SPI.ino».
Я перепроверил все, но резонансная частота продолжает выходить из строя.

Если я пропущу while (1) для продолжения программы, здесь будет мой последовательный монитор с большим шумом:

15:15:46.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание 102 -> Проверка соединения SPI пройдена.
15: 15: 46.102 -> Проверка соединения вывода IRQ пройдена.
15: 15: 47.759 -> Ошибка калибровки резонансной частоты.
15: 15: 47.806 -> Калибровка RCO пройдена.
15: 15: 47.806 -> Инициализация завершена, ожидание событий …
15: 15: 49.163 -> Слишком высокий уровень шума. попытка увеличить порог шума.
15: 15: 49.210 -> повышенный порог шума
15: 15: 50.012 -> Слишком высокий уровень шума. попытка увеличить порог шума.
15: 15: 50.112 -> повышенный порог шума
15:15:50.165 -> Уровень шума слишком высок. попытка увеличить порог шума.
15: 15: 50.266 -> повышенный порог шума
15: 15: 50.313 -> Слишком высокий уровень шума. попытка увеличить порог шума.
15: 15: 50.413 -> повышенный порог шума
15: 15: 50.466 -> Слишком высокий уровень шума. попытка увеличить порог шума.
15: 15: 50.567 -> повышенный порог шума
15: 15: 51.068 -> Слишком высокий уровень шума. попытка увеличить порог шума.
15:15:51.115 -> минимальный уровень шума уже на максимуме
15: 15: 51.215 -> Возмутитель обнаружен. попытка увеличить порог шума.
15: 15: 51.268 -> повышен порог сторожевого пса
15: 15: 51.315 -> Слишком высокий уровень шума. попытка увеличить порог шума.
15: 15: 51.369 -> порог шума уже на максимуме
15: 15: 51.415 -> Слишком высокий уровень шума. попытка увеличить порог шума.
15: 15: 51.516 -> порог шума уже на максимуме
15: 15: 51.569 -> Слишком высокий уровень шума.попытка увеличить порог шума.
15: 15: 51.616 -> порог шума уже на максимуме
15: 15: 51.669 -> Слишком высокий уровень шума. попытка увеличить порог шума.
15: 15: 51.716 -> порог шума уже на максимуме

Заранее спасибо (также сообщается в GitHub)

Измерение ускорений переменного тока: калибровать или не калибровать?

Для таких приложений, как инклинометры, характеристика акселерометра по постоянному току представляет собой интересный сигнал, поскольку приложение требует обнаружения небольших изменений в статическом выходном сигнале акселерометра.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание В большинстве приложений, таких как стабилизация платформы, направленное бурение в скважине, системы стабилизации кранов, а также в строительной отрасли для выравнивания дорожных грейдеров и геодезического оборудования, изменение наклона можно считать квазистатическим, поскольку шкалы времени, связанные с изменением наклона обычно намного меньше пропускной способности акселерометров. Однако в таких приложениях, как мониторинг вибрации и мониторинг состояния конструкций (SHM), характеристика акселерометра также становится важной, поскольку представляющие интерес сигналы могут иметь частотный спектр с мощностью, распределенной по широкому диапазону частот.

Поскольку вибрация является периодической, спектральный анализ предлагает удобный способ охарактеризовать профиль вибрации (соотношение между вибрацией, величиной и частотой). Каждая часть движущегося оборудования будет иметь свой собственный профиль вибрации со спектральными тонами, часто представляющими собственные резонансные частоты оборудования. Зная частотную характеристику чувствительности акселерометра, например, как чувствительность изменяется в зависимости от частоты приложенной входной вибрации, необходимо масштабировать частотную составляющую выходного сигнала акселерометра от PSD напряжения [В / √Гц] до PSD ускорения [ г / √Гц].ADXL354 и ADXL355 являются частью нового семейства малошумящих и маломощных МЭМС-акселерометров, которые позволяют использовать приложения для мониторинга низкого уровня вибрации, такие как мониторинг состояния конструкций. В этой статье обсуждается реакция этих акселерометров на переменный ток и факторы, которые следует учитывать при принятии решения о необходимости калибровки выходного сигнала акселерометра в таких приложениях.

Факторы, влияющие на реакцию переменного тока

В акселерометрах ADXL354 и ADXL355 используется аналоговый фильтр нижних частот с антиалиасингом для уменьшения внеполосного шума.Аналоговый фильтр сглаживания — это фильтр sinc3, обеспечивающий фиксированную полосу пропускания (угол 3 дБ) приблизительно 1,5 кГц.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Это ограничивает полосу пропускания в ADXL354 и ADXL355 и, кроме того, отфильтровывает шум наложения спектров от внутреннего 20-битного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в ADXL355. ADXL355 также включает дополнительный каскад цифрового фильтра, который состоит из децимационного фильтра нижних частот и обходного фильтра верхних частот. Комбинация всех этих ступеней фильтрации определяет отклик этих устройств по переменному току.Эти каскады фильтра эффективно ослабляют чувствительность ADXL354 и ADXL355 за пределами угла 3 дБ. Датчик MEMS, используемый в ADXL354 и ADXL355, имеет резонансную частоту примерно 2,5 кГц по осям X и Y и 2,1 кГц по оси Z, что вызывает резонансное повышение чувствительности вокруг резонансной частоты датчика.

Измерение чувствительности по переменному току

Испытание синусоидальной колебательной вибрации выполняется для оценки отклика датчика на запрос.Акселерометр привинчен к приспособлению и установлен на шейкерной системе Unholtz-Dickie model 20. Эталонный акселерометр (печатная плата 320B14) используется для калибровки возбуждения вибратора вместе с формирователем сигнала модели 133 Endevco. В ADXL354 в качестве контроллера вибрации и системы сбора данных используется прибор для исследования вибрации VR9500. Для ADXL355 в качестве системы сбора данных используется NI PCI 7850R. Частота синусоидального вибрационного сигнала изменяется от 30 Гц до 5 кГц. Крепление акселерометра изменяется после выполнения измерений, чтобы выровнять другую ось чувствительности с осью вибрации системы встряхивания.

ADXL354

Детали работали в диапазоне ± 8 g с пиковым возбуждением 1 g при синусоидальной вибрации, используя установку, описанную в предыдущем разделе. Частотная характеристика чувствительности (нормированная на чувствительность по постоянному току) ADXL354 показана на рисунке 1. Как можно заключить из графика, комбинация усиления резонанса и затухания за счет аналогового антиалиасингового фильтра ограничивает плоский диапазон (отклонение ± 5% от постоянного тока) примерно до 1,3 кГц.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Частотный угол +3 дБ, например, частота, на которой чувствительность вдвое превышает чувствительность по постоянному току, составляет примерно 2,1 кГц для осей X и Y. Коэффициент качества датчика оси Z ниже, чем у датчиков осей X и Y, и, таким образом, чувствительность по переменному току не равна удвоенной чувствительности по постоянному току на любой частоте. Максимальная чувствительность датчика оси Z находится на его резонансной частоте.

Рис. 1. Зависимость чувствительности ADXL354 от частоты вибрации.

ADXL355

Детали работали в диапазоне ± 8 g с пиковым возбуждением 5 g при синусоидальной вибрации с использованием описанной выше установки.Частотная характеристика чувствительности ADXL355 показана на рисунке 2 при выборе ODR 4 кГц. Графики показывают чувствительность на всех частотах, нормированную на чувствительность на постоянном токе. Из-за дополнительной цифровой фильтрации, реализованной в ADXL355, плоская полоса пропускания ограничена запрограммированным пользователем ODR (полоса пропускания = ODR / 4). На графиках, показанных здесь, выбор ODR 4 кГц приводит к углу –3 дБ примерно 1 кГц. Вибрации на частотах, близких к резонансу устройства, вызовут резонансное повышение чувствительности.

Рис. 2. Зависимость чувствительности ADXL355 от частоты вибрации.

Калибровка

Чувствительность ADXL354 и ADXL355 по постоянному току гарантирована в диапазоне ± 8% от номинала. Если чувствительность по постоянному току не откалибрована, максимальная погрешность измерения ускорения на постоянном токе составляет 8%. Если требуется более высокая точность, калибровка чувствительности по постоянному току может быть реализована путем измерения, по крайней мере, двух значений на каждую ось, путем приложения известного входного ускорения к устройству. Самый простой способ выполнить такую ​​калибровку — ориентировать оба направления (положительное и отрицательное) вдоль каждой оси на поле силы тяжести 1 г. 1

Изменение чувствительности по переменному току в ADXL354 существенно зависит от изменения резонансной частоты и добротности.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Вариации этих параметров обычно очень малы и зависят от технологического процесса. Изменение частоты обычно составляет менее 2% для нескольких устройств, а изменение Q обычно составляет менее 10% для разных частей. На рисунке 3 показано сравнение двух частей ADXL354 (ось X) с сильно различающимися добротностью и резонансными частотами. Комбинация антиалиасингового фильтра и резонанса дает нормированную чувствительность по переменному току на частоте 2 кГц, равную 1.63 и 1,74 для обоих устройств, разница примерно 6%. Таким образом, если акселерометр с более высоким Q на частоте 2 кГц улавливает 100 мг вибрации, другой акселерометр выдаст тот же сигнал, что и 94 мг. В приложениях, где важна абсолютная точность содержания вибрации на определенной частоте, рекомендуется дополнительная калибровка по переменному току с помощью прецизионного встряхивающего стола.

Рис. 3. Изменение чувствительности ADXL354 от детали к детали в зависимости от частоты вибрации.

В заключение, решение о калибровке или отказе от калибровки акселерометра зависит от интересующего сигнала.Для приложений мониторинга вибрации и мониторинга состояния конструкций, требующих абсолютного мониторинга
частот гармоник вибрации требуется дополнительная калибровка. В приложениях, предназначенных для отслеживания относительных сдвигов собственных колебаний, амплитуды и частот, акселерометры ADXL354 и ADXL355 могут использоваться с базовым измерением без дополнительной калибровки.

использованная литература

1 Кристофер Дж.Фишер. Замечания по применению, AN-1057, Использование акселерометра для измерения наклона. Аналоговые устройства.

Калибровка постоянной пружины путем качания частоты

Жесткость пружины кантилевера и чувствительность системы к отклонению являются важными параметрами для проведения количественной силовой спектроскопии. В версии программного обеспечения 3.7.3 мы представили новую опцию калибровки, определяющую постоянную консольной пружины k из окна развертки частоты с визуальной обратной связью по качеству подгонки.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Сравнение метода развертки с данными теплового шума показывает лишь незначительные различия в k, обнаруженные двумя методами.

Обычно жесткость пружины определяется из спектра тепловой настройки, снабженного простой моделью гармонического осциллятора, чтобы получить резонансную частоту и качество или добротность. Жесткость пружины рассчитывается с помощью метода, разработанного Джоном Сэдером и его коллегами, с использованием размеров кантилевера вида сверху из базы данных в программном обеспечении АСМ.

Для кантилеверов в воздухе можно также применить простую подгонку гармонического генератора к развертке частоты, чтобы получить резонансную частоту и добротность колебаний кантилевера.Для метода Садера требуются только эти два параметра из резонансной кривой, в отличие от теоремы эквипарции, для которой необходимо знать калиброванную площадь под кривой.

Следовательно, метод Садера можно использовать с данными развертки частоты для расчета жесткости пружины. Разница между двумя определениями жесткости пружины составляет всего 2%, что соответствует абсолютной точности метода.

Этот метод калибровки постоянной пружины является частью расширенной опции спектроскопии для NaioAFM и линейки продуктов Easyscan 2 или SPM S, если доступен динамический режим, что делает силовую спектроскопию более количественной на этих приборах.Для систем CoreAFM и C3000 эта опция является частью опции калибровки кантилевера и позволяет пользователю использовать как тепловую настройку, так и частотную развертку для определения жесткости пружины.

Если вы хотите узнать, доступна ли эта опция для вашей системы или вы хотите обсудить свое приложение с одним из наших экспертов, свяжитесь с нами.

Просмотрите или загрузите заметку по применению в формате PDF.

Для определения чувствительности отклонения, другого параметра калибровки, необходимого для преобразования отклонения в силу, отклонение необходимо измерить на твердой поверхности.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Для этого в стандартный комплект для силовой спектроскопии входит кусок кремния.

Примечание по применению Nanosurf TN01092

Связанное содержание:

В интернет-магазине Nanosurf

Взаимное сравнение методов определения резонансного частотного сдвига микрополосковой патч-антенны, загруженной латексом гевеи

В этой статье представлено взаимное сравнение метода конечных элементов, метода момента и вариационного метода для определения влияния содержания влаги на сдвиг резонансной частоты микрополосковой заплатки, загруженной влажным материалом.Образцы, выбранные для этого исследования, представляли собой латекс гевеи с различным содержанием влаги от 35% до 85%. Результаты сравнивались с данными измерений в диапазоне частот от 1 ГГц до 4 ГГц. Было обнаружено, что метод конечных элементов является наиболее точным из всех трех вычислительных методов со средней ошибкой 0,1 по сравнению с измеренным сдвигом резонансной частоты. Было получено калибровочное уравнение для прогнозирования содержания влаги по измеренному сдвигу частоты с точностью до 2%.

1. Введение

В последние годы микрополосковая патч-антенна становится все более популярной как новый метод определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов [1–4]. Микрополоску поддерживали на материале подложки и покрывали испытуемым материалом. Поле микрополосковой окантовки взаимодействует с образцом и вызывает изменение его эффективного импеданса, которое можно измерить с точки зрения сдвига резонансной частоты и коэффициента отражения, который может быть откалиброван с точки зрения влажности для «влажного» образца с относительно высокой диэлектрической проницаемостью.К сожалению, теоретические расчеты импеданса были представлены только с использованием вариационных выражений для емкости линии [5, 6].

В этой статье, в дополнение к вариационному методу, метод конечных элементов (FEM) и метод момента (MoM) также использовались для расчета коэффициента отражения микрополоскового патч-датчика, предназначенного для работы на частоте между 1 ГГц и 4 ГГц.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Изменение сдвига резонансной частоты с содержанием влаги с использованием трех методов сравнивали с данными измерений.Образцы, использованные в этой работе, представляли собой латекс каучука Hevea с различным процентным содержанием влаги (m.c.) от 35% до 85%. Различное процентное содержание влаги дает разные значения как диэлектрической проницаемости, так и коэффициента потерь на разных частотах, что, в свою очередь, влияет на эффективное сопротивление патч-антенны и, следовательно, на резонансную частоту датчика.

2. Состав
2.1. Коэффициент отражения

Коэффициент отражения испытуемого материала можно рассчитать следующим образом:

где и — характеристическое сопротивление ненагруженного и нагруженного датчиков.

2.1.1. Вариационный метод

Расчет коэффициента отражения микрополоски, покрытой влажными образцами, с использованием вариационного метода [4] можно найти, определив характеристический импеданс.

где — скорость света в свободном пространстве и емкость, можно записать

где — преобразования Фурье распределения заряда, — переменная преобразования Фурье, — подложка, толщина, — толщина листового материала, покрывающего микрополоску, и — относительные диэлектрические проницаемости подложек и влажного образца, соответственно (см. рисунок 2).обозначает полный заряд полоскового проводника и представляет собой емкость на единицу длины структуры с диэлектриками, замещенными воздухом.

Для прямоугольной (или квадратной) геометрии (патч-антенна), показанной на Рисунке 1, самая низкая резонансная частота,, может быть определена [5], если известна эффективная диэлектрическая проницаемость покрытой микрополоски.
РС

где все размерные параметры, использованные выше, определены на рисунке 1. и представляют собой относительную и эффективную диэлектрическую проницаемость соответственно.

Для согласованной антенны изменение относительной резонансной частоты относительно ненагруженного корпуса или может быть названо сдвигом резонансной частоты, может быть рассчитано с использованием следующего выражения:
может быть определена как резонансная частота для ненагруженного сенсора, в то время как резонансная частота нагруженного сенсора с образцом.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Изменение резонансной частоты первого порядка можно выразить как

где и — эффективная диэлектрическая проницаемость без образца и с образцом соответственно.

Эффективную диэлектрическую проницаемость можно записать через долю заполнения, занятую каждым диэлектриком, как

2.1.2. Метод конечных элементов с использованием COMSOL

Входные значения диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь для образцов с разным процентным соотношением m.c. требуемые в микроволновом офисе, и COMSOL были получены из комплекта Agilent Dielectric Probe Kit 85070E.

Метод конечных элементов для расчета коэффициента отражения с помощью COMSOL был реализован путем определения [7].Рассматривать

где и — отраженная и входная мощности, которые задаются
рассеиваемая мощность, которую можно определить как

В (11) — радиус порта, — диэлектрическая проницаемость коаксиального кабеля, — радиальное электрическое поле питающего кабеля в единицах В / м, — входной импеданс нагруженного датчика, — пиковое значение источник, и — характеристическое сопротивление кабеля 50 Ом.

Граничные условия доменов (обозначенных от 1 до 8), показанных на рисунке 3 (a), были установлены следующим образом: медь (идеальный электрический проводник), граница раздела между микрополосковой подложкой и тефлоном секции подачи (непрерывность), ненагруженный датчик (граничное условие рассеяния) и датчик, загруженный образцом (согласованное граничное условие), и порт определяется на коаксиальном питателе.Граница для образца была выбрана как согласованная граница, представленная числами 4, 5, 7, 9 и 69 на рисунке 3 (b).

Как правило, чем больше количество элементов сетки FEM, тем более точным должен быть результат вычислений с использованием FEM. Более мелкая сетка увеличит количество решаемых степеней свободы, что, в свою очередь, приведет к большему количеству начальных элементов сетки для датчика заплат.

В таблице 1 приведен список количества элементов сетки вместе со степенями свободы и временем обработки, необходимым для расчета коэффициента отражения ненагруженного датчика в диапазоне частот от 1 ГГц до 4 ГГц для 101 точки с использованием различных сеток COMSOL.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание опции.

18

, коэффициента отражения от частоты ненагруженного датчика с использованием различных элементов сетки вместе с результатами экспериментов показаны на рис. 4. Резонансная частота, рассчитанная с использованием параметров очень грубого, очень грубого, грубого и грубого измерения в COMSOL, равнялась 3.2 ГГц. Опция грубой обработки рассчитывала точно такое же значение резонансной частоты, измеренное с помощью векторного анализатора цепей на частоте 3,2 ГГц, что также почти соответствует значению, полученному с помощью вариационного метода (3,3 ГГц), но требует большего времени вычислений и других ресурсов компьютера.

2.1.3. Метод реализации моментов с использованием микроволнового офиса

Характеристический импеданс покрытой микрополоски определяется как

где — поле -й тестовой моды, излучающее в свободном пространстве, а интеграл в (16) идет по поверхности моды расширения [8].

Матричное уравнение решается для получения тока на каждой сетке.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Методом моментов с выбранными режимами испытаний, идентичными режимам расширения, находятся как решение матричного уравнения

где — симметричная матрица импеданса, — вектор тока, содержащий неизвестные комплексные коэффициенты из (18), что поверхностный ток на пятнах разлагается как

где — й режим поверхностной плоской антенны, — количество мод в расширении и — неизвестный комплексный коэффициент для й моды.

В этой работе для определения импеданса патч-датчика использовался электромагнитный симулятор EMSight из пакета проектирования офисных микроволновых устройств из прикладного волнового исследования (AWR). Набор матричных уравнений решается для получения тока на каждой сетке. Токи возбуждаются присоединительным портом, и затем можно рассчитать коэффициент отражения. Условия домена для верхней и нижней поверхностей корпуса были установлены на диэлектрическую проницаемость образцов и 6,15 для подложки, соответственно.Вся патч-антенна была разделена на сетку путем установки количества ячеек деления размером 0,1 мм для обоих направлений и. Меньшие размеры ячеек обеспечивают более точное моделирование. Однако, если ячейки слишком малы, время обработки будет слишком большим или даже может привести к сбою памяти и зависанию системы персонального компьютера (ПК).

2.2. Диэлектрическая смесь Модель

Комплексные значения диэлектрической проницаемости требуются в качестве входных данных для расчета коэффициента отражения латекса Hevea с использованием микрополоскового патч-датчика.Коаксиальный зонд с открытым концом — это наиболее часто используемый метод для определения диэлектрической проницаемости образцов. Диэлектрическая проницаемость рассчитывается из уравнения полной проводимости зонда в сочетании с оптимизированной моделью Дебая [9]. Различные формы диэлектрической модели также доступны в литературе, где модель диэлектрической смеси наиболее широко используется для гетерогенных образцов, таких как латекс Hevea.

Предыдущие исследователи [10–13] использовали модель диэлектрической смеси для предсказания диэлектрической проницаемости материалов, содержащих более двух компонентов.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Наиболее популярными моделями диэлектрической смеси являются модели Брюггемана, Вайнера и Кражевского [13]. Однако модель Крашевски по-прежнему является одной из наиболее часто используемых моделей из-за своей простоты, требующей только значений объемной доли и диэлектрической проницаемости каждого компонента [14]. Модель Крашевского на самом деле является упрощенной версией модели Винера, в которой смеси, подобные латексу гевеи, рассматриваются как двухфазная жидкость, состоящая из воды и твердого каучука. В формуле верхней границы Винера относительная диэлектрическая проницаемость смеси записывается как

где и — относительная диэлектрическая проницаемость для воды и твердых материалов соответственно, — объемная доля воды.Kraszewski et al. [13] получили упрощенную версию модели Винера в

Объемная доля связана с m.c. (влажная основа) по
это m.c. и и являются относительной плотностью воды и твердого каучука, соответственно, и считаются постоянными с и [14]. Диэлектрическую проницаемость образца латекса можно оценить с помощью (2) и (3).

3. Экспериментальная часть

Образцы свежего латекса гевеи были получены из исследовательского парка Universiti Putra Malaysia.Влажность свежего латекса составляла примерно 42%. Образцы разбавляли разными объемами деионизированной воды, чтобы получить различное процентное содержание влаги в латексе от 35% до 85%. Массу свежих и разбавленных образцов латекса регистрировали с помощью электронных весов с точностью до 0,1 мг. Образцы сушили в печи при 70 ° C в течение 18 часов и шесть часов дополнительно сушили при 105 ° C [15]. Перед взвешиванием высушенным образцам давали остыть при комнатной температуре 25 ° C. Процесс повторяли до постоянной массы с 0.Для каждого образца было получено 5 мг. Фактическое содержание влаги определяли с использованием стандартного метода сушки в печи [16]. Рассматривать

где и — начальная и конечная масса до и после сушки. Диэлектрические проницаемости всех образцов с разным процентным содержанием м.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание к. были измерены с помощью коаксиального зонда с открытым концом Agilent N54030.

Микрополосковый патч-датчик был изготовлен с использованием подложки RT / Duroid 6006 толщиной 1,27 мм с диэлектрической проницаемостью 6,15. В идеале площадь чувствительности, то есть размеры пятна, должны быть как можно больше.Однако, учитывая другие факторы, такие как жесткость и стоимость, был выбран размер 40 мм на 20 мм. Теоретическая резонансная частота, рассчитанная с помощью МКЭ, составила 3,2 ГГц.

Коаксиальный фидер патч-антенны представлял собой шлейфную контактную панель SMA с внутренними и внешними проводниками 1,3 мм и 4,1 мм соответственно. Все калибровки и измерения коэффициента отражения проводились с использованием профессионального анализатора цепей (PNA) Agilent N5230A в диапазоне частот от 1 ГГц до 4 ГГц.Полная процедура однопортовой калибровки была выполнена на рисунках 5 и 6 с использованием электронного калибровочного модуля N4691-60004 (300 кГц — 26,5 ГГц). Значения коэффициента отражения датчика в точке A были реализованы с помощью технологии расширения портов PNA [17, 18].

4. Результаты и обсуждение
4.1. Диэлектрическая проницаемость каучукового латекса гевеи

На рисунке 7 показано изменение комплексной диэлектрической проницаемости воды и образцов каучукового латекса гевеи с содержанием влаги от 36.1% и 88,6% в диапазоне частот от 1 ГГц до 4 ГГц. Из рисунка 7 (а) ясно видно, что диэлектрическая проницаемость всех образцов латекса Hevea уменьшается почти линейно с частотой. Это говорит о том, что диэлектрическая проницаемость образцов латекса Hevea с содержанием влаги 36,1% и 88,6% точно соответствует профилю диэлектрической проницаемости воды. Чем выше содержание влаги, тем выше диэлектрическая проницаемость, как показано на Рисунке 7 (а). Этого и следовало ожидать, поскольку вода — сильный полярный растворитель [10].Диэлектрическая проницаемость, которая обычно определяется как способность накапливать энергию, ниже на более высоких частотах для образцов воды и латекса.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Этого и следовало ожидать из отношения Дебая, описанного Nyfors и Vainikainen, 1989 [19]. На электрическую поляризацию воды сильно влияет рабочая частота. Молекулы воды могли следить за колебаниями микроволн на низкой частоте, тем самым уменьшая значение диэлектрической проницаемости. Напротив, молекулы больше не могли следовать за колебаниями микроволн на высокой частоте, и энергия рассеивалась в виде тепла, что приводило к более низким значениям диэлектрической проницаемости [14], но более высокому коэффициенту потерь, как показано на рисунке 7 (b).

(a) Диэлектрическая постоянная,
(b) Коэффициент потерь,
(a) Диэлектрическая постоянная,
(b) Коэффициент потерь,

Изменение коэффициента потерь с частотой показано на рисунке 7 (b). Как и диэлектрическая проницаемость, профили коэффициента потерь для всех образцов латекса точно соответствуют профилю воды в диапазоне частот от 1 ГГц до 4 ГГц. Коэффициент потерь влияет как на поглощение, так и на отражение энергии и описывает способность рассеивать энергию в ответ на приложенное электрическое поле или различные механизмы поляризации, что обычно приводит к тепловыделению [11, 20].Механизмы потерь в основном обусловлены ионной проводимостью и активностью вращения диполя. Механизмы, влияющие на коэффициент диэлектрических потерь, включают дипольные, электронные, ионные отклики и отклики Максвелла-Вагнера [21].

Коэффициент потерь уменьшается при увеличении частоты с 0,1 ГГц, достигает широкого минимума в диапазоне от 1,5 до 2,0 ГГц, а затем увеличивается, когда частота приближается к 4 ГГц. Эффект релаксации обычно связан с ориентационной поляризацией. Вода имеет сильный диполярный эффект на низких частотах.На механизм потерь в основном влияет ионная проводимость за счет релаксации связанной воды ниже 2,0 ГГц. Выше 2,0 ГГц ориентация диполя является доминирующим механизмом, поскольку частота приближается к частоте релаксации свободной воды [22].

4.2. Величина коэффициента отражения ненагруженного датчика с частотой

Сравнение измеренной и рассчитанной величины коэффициента отражения ненагруженного датчика с частотой показано на рисунке 8.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание Расчетные результаты были получены с помощью метода конечных элементов (МКЭ). момента (МоМ) и вариационная техника.График распределения ошибок убедительно свидетельствует о том, что наибольшая ошибка между измеренным и рассчитанным коэффициентом отражения произошла на резонансных частотах.

Как измеренные, так и расчетные расчеты методом МКЭ основной резонансной частоты и величины коэффициента отражения оказались схожими, то есть ГГц с и 0,86 соответственно. Напротив, вычисленные основные резонансные частоты для MoM и вариационного метода составляли 3,3 ГГц с величинами 0.91 и 0,93 соответственно. Однако следует отметить, что эталонная плоскость для расчета FEM и измерения коэффициента отражения находилась на границе раздела между кабелем и входным микрополосковым разъемом, в то время как MoM и вариационная техника находились на участке считывания и радиоинтерфейсе. Офисное программное обеспечение микроволн, используемое для расчета MoM, не имеет опции для длины фидера коаксиального фидера при использовании его объекта «Через порт». Применяя метод расширения фазы на границе раздела между пятном и воздухом, измеренные и рассчитанные значения коэффициента отражения с использованием МКЭ составили 0.91 и 0,92, что близко к расчетной MoM и вариационной методике.

Профиль, измеренный и рассчитанный методом МКЭ с использованием грубой настройки COMSOL, почти аналогичен в непосредственной близости от основной резонансной частоты в диапазоне частот от 2,1 ГГц до 3,3 ГГц со средней ошибкой 0,014. Точность рассчитанного электромагнитного поля с помощью МКЭ изменяется в зависимости от положения и направления, если количество элементов слишком мало. Таким образом, ожидается, что более высокая точность может быть получена при использовании большего количества равносторонних тетраэдрических элементов.Влияние количества элементов обсуждается в разделе 2.1.2. Уменьшение количества ошибок можно ожидать, используя большее количество элементов, выбирая нормальный и точный с 15159 и 24240 числами элементов соответственно.Калибровка резонансной частоты: Калибровка резонансной частоты - Задание К сожалению, эти более высокие элементы требуют высокопроизводительных вычислительных средств, которых нет в обычном ПК. Продолжение использования обычных и точных опций приведет к сбою системной памяти ПК, используемой в этой работе.

4.3. Влияние содержания влаги на резонансную частоту загруженного датчика

На рисунке 9 показаны результаты измерений и численных методов для изменения сдвига резонансной частоты датчика, загруженного образцами с различным процентным соотношением (%) от m.c. Можно отчетливо наблюдать, что почти линейно увеличивается с увеличением m.c. для всех методов. Взаимосвязи перечислены в таблице 2. За исключением вариационного метода A, использующего модель диэлектрической смеси (2), значения входной диэлектрической проницаемости, необходимые для расчета, были получены из Agilent HP 85070E. Чувствительность измерения, то есть изменение по отношению к изменению m.c. лучше всего предсказывалась вариационным методом B, то есть 0,007 ГГц /% м.кв. Каждому 1% -ому изменению содержания влаги может соответствовать 0.007 ГГц изменение частотного резонансного сдвига датчика.


Типы сетки По умолчанию
элементов
Число
степеней свободы
Решение
время
7866 134,163 с
Очень грубое 1411 10322 178,922 с
Более грубое 2826 20308 414189

394 с
Грубый 4337 30598 865,634 с
Нормальный 15159 103356 Неразрешенный

Метод Уравнение регрессии Коэффициент регрессии, Чувствительность,
(ГГц /%)

0,75

FEM 0,4766 0,002
м / м 0.9368 0,02
Вариант A 0,9999 0,009
Вариант B 0,9549 0,007

9018 рассчитанная между различными вычислительными методами и линия регрессии измерения показана на рисунке 10. Погрешность возрастает с увеличением значений mc. кроме вариационного метода А.Это говорит о повышении точности модели диэлектрической смеси для образцов с высокими значениями влагосодержания, используемых в вариационном методе B. Средние ошибки для вариационного B, вариационного A, MoM и FEM составили 0,105, 0,229, 0,752 и 0,1 соответственно. MoM зафиксировал самую высокую среднюю ошибку, вероятно, из-за недостаточной точности вычислений, когда 2-й слой представляет собой материал с потерями и высокой диэлектрической проницаемостью. Низкая погрешность МКЭ, сравнимая с вариационным методом B, была обусловлена ​​небольшими ошибками для m.c. менее 55%, вероятно, связано с более высокой точностью метода для образцов с низкой диэлектрической проницаемостью.

4.4. Калибровочные уравнения для прогнозирования содержания влаги

Калибровочные уравнения были получены из зависимости между и m.c. для всех частотных точек от 1 ГГц до 4 ГГц. Выбросы были удалены с помощью набора инструментов подбора кривой MATLAB. Эмпирическое уравнение, связывающее m.c. to можно найти, поменяв местами оси и на рисунке 9:

Аналогично из измерения [3]:

Точность калибровочных уравнений определялась путем вычисления ошибок между фактическими m.c. получено методом сушки в печи и предсказано. с использованием (20) и (21) на основе измерений нового набора образцов латекса. Точность прогнозируемых значений m.c. на основании (20) и (21) составило 2% и 6% соответственно. Результаты для (20) показаны на рисунке 11, где каждая точка данных представляет собой среднее трех измерений.

5. Заключение

Изменение сдвига резонансной частоты микрополоскового датчика, загруженного образцами с различным процентным содержанием м.к.было проведено сравнение измеренных и теоретических значений с использованием вариационного метода, метода конечных элементов и метода момента. Только FEM может найти приемлемый результат, но невозможно выполнить более мелкие сетки для улучшения представленного результата без поддержки высокопроизводительного вычислительного средства. Уравнение калибровки было установлено для предсказания m.c. от измеренных и оказалось, что точность не превышает 2% по сравнению с фактическими значениями m.c. получают стандартным методом сушки в печи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Выражение признательности

Авторы выражают признательность Министерству науки, технологий и инноваций (MOSTI) за финансовую поддержку этого исследования для Национальной научной стипендии (NSF).

Двунаправленное сканирование и резонансная калибровка драйвера — Scanbox

Резонансные зеркала несколько различаются по своей резонансной частоте, и настройки контроллера зеркала должны быть отрегулированы для получения наилучшего возможного изображения в двунаправленном режиме.

Сигнал синхронизации от резонансной платы должен быть настроен так, чтобы он был симметричным, а его фаза была выровнена с пересечениями нуля скорости зеркала.

Сначала подключите осциллограф к сигналу HSYNC в расширенном заголовке Scanbox. Сигнал HSYNC отображается в заголовке только в последней версии прошивки, поэтому, пожалуйста, загрузите и установите его с Github, прежде чем продолжить. Это четвертый контакт слева в верхнем ряду разъема, если смотреть сверху.Совет: перемычка позволяет легко получить доступ к этому сигналу, не замыкая близлежащие контакты с помощью зонда осциллографа.

Посмотрите на этот сигнал на осциллографе во время сканирования. Любой современный осциллограф позволит вам измерить период сигнала, а также положительную и отрицательную ширину импульса. В приведенном ниже примере резонансная частота составляет 7928 Гц, ширина положительного импульса — 63,22 мкс, а ширина отрицательного импульса — 62,91 мкс.

Первый шаг состоит в том, чтобы убедиться, что сигнал симметричен.Другими словами, ширина положительного и отрицательного импульсов должна быть одинаковой. Вы можете отрегулировать это, вращая потенциометр SYM на резонансной плате драйвера сканера, которая представляет собой небольшую плату, установленную поверх основной карты Scanbox. На этой карте есть 3 горшка, помеченные как SCALE, SYM и PHASE. Посередине находится горшок SYM. Медленно вращайте потенциометр, пока ширина высокого и низкого импульса не будет находиться в пределах 0,5 мкс друг от друга. В приведенном выше примере разница составляет 0,31 мкм.

Теперь измерьте частоту лазера на длине волны, которую вы обычно изображаете.Это можно сделать, измерив частоту сигнала, выходящего из SYNC OUT Хамелеона. Это будет близко (но не совсем) к 80 МГц. В моем случае я получаю 80,10 МГц.

Теперь нам нужно подсчитать количество отсчетов, составляющих одну строку. Это отношение между частотой лазера и резонансной частотой, деленное на 8 (поскольку каждый период составляет две линии, а каждый пиксель — 4 отсчета). Учитывая приведенные выше числа, получаем: round (80100000/7928/8) = 1263 выборки на строку.

В идеале именно здесь линии должны быть «загнуты» во время двунаправленного сканирования, чтобы выровнять четные и нечетные линии. Итак, давайте начнем с установки переменной ncolbi на 1263 (или значение, которое вы нашли для своей установки) для всех 3 записей в файле scanbox_config. (Помните, что вам необходимо перезапустить Scanbox, чтобы эти новые значения вступили в силу).

Теперь просканируйте цель, которая имеет красивую структуру, при увеличении x1. Возможно, линии не совсем выровнены.Глядя на изображение, поверните регулятор PHASE на резонансном контроллере, чтобы четные и нечетные линии совпали как можно ближе. Предупреждение: этот горшок ОЧЕНЬ чувствителен, поэтому поворачивайте его медленно. Результат не обязательно должен быть идеальным, но достаточно близким, чтобы четные и нечетные линии не выглядели явно смещенными друг от друга.

Теперь, когда цель на месте, запустите процедуру автокалибровки, описанную здесь. Scanbox должен быть в состоянии найти оптимальные значения, которые максимально выравнивают четные / нечетные строки.4, что дает полосу пропускания 80 МГц для этой процедуры (и для визуализации в целом).

После выполнения этой процедуры вы должны получить хорошие, четкие изображения в двунаправленном режиме по всему полю (как в центре, так и по бокам изображения).

Обновление 28.09.16:

Для некоторых резонансных зеркал характерно небольшое изменение частоты со временем. Типичное измерение выглядит так:

В результате получается 2 части на 8000 изменения частоты в течение первых 5 минут работы.Это изменение может смещать четные и нечетные линии примерно на 1 или 2 пикселя, что видно. Для обеспечения стабильной калибровки и работы при двунаправленном сканировании мы рекомендуем использовать Scanbox в непрерывном резонансном режиме. Здесь резонансное зеркало будет работать на протяжении всего сеанса сбора данных. Конечно, вы также должны выполнить указанную выше калибровку после того, как зеркало проработало 5 минут или более.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Сканирующая калибровка, двунаправленное сканирование без категорий, резонансное зеркало, сканирующая калибровка, двухфотонный микроскоп, объемное изображение смоделирована как последовательная цепь сопротивление-индуктор-конденсатор (на основе модели Баттерворта-Ван Дайка) с использованием электрической аналогии с механическим демпфированным генератором 27,28,29 .Это может быть выражено законом движения Ньютона:

, в котором сопротивление (R) представляет собой акустические потери в материале и окружающей его среде, индуктор (L) представляет собой массу осциллятора, обратная емкость (1 / C) а электрический заряд (q) представляет жесткость и смещение механического осциллятора. Напряжение (U) представляет собой силу, приложенную к механическому осциллятору. Решение уравнения (2) имеет следующий вид:

Член q s (t) учитывает реакцию в установившемся режиме, а q t (t) обеспечивает переходную характеристику системы.На рисунке 1 показано параллельное сравнение принципов для традиционных методов QEPAS и BF-QEPAS с использованием устойчивого и переходного отклика QTF, соответственно.

Рис. 1. Параллельное сравнение традиционных методов QEPAS и BF-QEPAS.

В отличие от обычного QEPAS, частота модуляции лазера f в методе BF-QEPAS смещена от резонансной частоты QTF f 0 . Длина волны лазера быстро сканируется относительно времени отклика QTF.Анализируя сигнал биений, генерируемый между частотой модуляции лазера и резонансной частотой QTF, датчик на основе BF-QEPAS может определять концентрацию целевого газа, резонансную частоту QTF и добротность за одно измерение.

В обычном QEPAS медленно меняющаяся непрерывная акустическая волна вызывает вынужденные колебания QTF. Переходной характеристикой QTF пренебрегают, и учитывается только поведение в установившемся режиме из-за длительного времени усреднения (> 300 мс), в течение которого переходная характеристика усредняется до нуля.В BF-QEPAS акустический импульс, вызванный поглощением целевого газа, генерируется в результате быстрого сканирования по длине волны (> 30 см -1 с -1 ), что приводит к кратковременной вибрации зубцов QTF. период времени. Впоследствии зубец QTF переходит в режим свободной вибрации после окончания акустического импульса, а не в непрерывные вынужденные колебания, вызванные непрерывной акустической волной, как в обычном QEPAS. Энергия вибрации будет рассеиваться через внешние и внутренние механизмы потерь QTF 30 .В этот момент QTF колеблется на своей резонансной частоте, а не на частоте модуляции лазера. Сигнал QTF демодулируется на частоте модуляции лазера f. Когда время усреднения достаточно мало (<100 мс), чтобы обеспечить достаточную полосу пропускания системы, сигнал BF с огибающей экспоненциального затухания генерируется из переходной характеристики QTF. Концентрация газовых примесей, резонансная частота и добротность QTF могут быть получены путем измерения пиковой амплитуды, BF Δf и времени затухания τ сигнала BF-QEPAS, соответственно.

Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки для демонстрации характеристик спектрофона BF-QEPAS показана на рис. 2. Диодный лазер с распределенной обратной связью 1368,7 нм (DFB-DL; NTT Electronics, Inc. Модель NLK1E5E1AA ) использовался в качестве источника возбуждения. Длину волны лазера можно настраивать, изменяя его ток и температуру. Температуру лазера стабилизировали с помощью регулятора температуры (THORLABS, Inc., модель TED 200C). Ток возбуждения лазера состоял из трех компонентов: постоянного тока (d.c.), переменный ток (a.c.) и линейный сигнал. Постоянный ток компонент от источника тока (ILX Lightwave Corp. LDX 3220) определил центральную длину волны DFB-DL. Непрерывный синусоидальный переменный ток. Компонент, сгенерированный функциональным генератором 1 (Stanford Model DS345), реализовал модуляцию длины волны, в то время как линейный сигнал, обеспечиваемый вторым функциональным генератором 2 (Tektronix, Inc., модель AFG 3022), сканировался через целевую линию поглощения газовых примесей, а затем оставалось на постоянном уровне для завершения обнаружения индуцированного сигнала BF-QEPAS.Цикл сканирования — это сумма времени сканирования и времени ожидания. Частота повторения пилообразного сигнала составляет 12 Гц. Время ожидания одного цикла сканирования 0,05 с. Коллиматор с оптоволоконным соединением (OZ optics Ltd., модель LPC-01) генерировал диодный лазерный луч диаметром 200 мкм, который направлялся на модуль акустического обнаружения (ADM) и избегал касания QTF 31 . Для сравнения, в экспериментальную установку BF-QEPAS помещен ADM с включенной конфигурацией луча (раздел «Методы»), который широко используется в обычных датчиках QEPAS.Хотя в акустическом резонаторе не возникает стоячей акустической волны при возбуждении акустического импульса, ожидается поведение усиления сигнала, поскольку нерезонансная микротрубка может эффективно ограничивать акустический импульс 21 . ADM заключен в газовый кожух с двумя окнами из CaF 2 . Вакуумный насос и контроллер давления (MKS Instruments Inc., модель 649B13TS1M22M) контролировали и поддерживали давление внутри ADM. Расход газа был установлен на 120 с.c.c.m. с помощью штифтового клапана, чтобы минимизировать шум потока. Пьезоэлектрический сигнал, генерируемый QTF, обрабатывался трансимпедансным усилителем с резистором обратной связи 10 МОм R g и направлялся на синхронизирующий усилитель (LIA; Stanford Research Systems, модель SR830). Гармонический сигнал, демодулированный LIA, затем передавался на компьютер через карту DAQ (National Instruments, Inc., модель BNC-2110).

Рисунок 2: Схема экспериментального устройства BF-QEPAS.

( a ) Диодный лазер работал с регулятором тока и температуры.Постоянный ток (dc), переменный ток (ac) и линейный сигнал, обеспечиваемый источником тока, функциональным генератором 1 (FG1) и функциональным генератором 2 (FG2), соответственно, использовались в качестве тока возбуждения лазера, тока модуляции и тока сканирования. соответственно. В качестве источников возбуждения последовательно использовались три различных полупроводниковых лазера: DFB-DL, DFB квантово-каскадный лазер (DFB-QCL) и межзонный каскадный лазер DFB (DFB-ICL). Коллиматор с волоконной связью гарантирует, что коллимированный луч DFB-DL проходит через ADM, не касаясь выступов QTF.Оптические линзы использовались для коллимации лазерных лучей DFB-ICL и DFB-QCL. Подробности экспериментов, в которых DFB-QCL и DFB-ICL использовались в качестве источника возбуждения, были описаны на дополнительных рисунках 6 и 7 соответственно. DAQ, сбор данных; ТА, трансимпедансный усилитель. ( b ) Сигнал линейного изменения, обеспечиваемый FG2. ( c ) Выходной сигнал, генерируемый пьезоэлектрическим эффектом QTF после того, как его штыри были возбуждены акустическим импульсом. ( d ) Сигнал BF, сформированный после того, как пьезоэлектрический сигнал был демодулирован LIA.

Моделирование и анализ сигналов BF-QEPAS

Производительность метода BF-QEPAS моделировалась с использованием программного обеспечения MATLAB (дополнительное примечание 1). На рис. 3а резонансная частота QTF, f 0 = 32760 Гц, использовалась в качестве частоты модуляции лазера, и время взаимодействия t a между акустической волной и QTF было достаточно большим (t a = 10 s) для создания непрерывной акустической волны с медленным изменением амплитуды. Время интегрирования было установлено на 300 мс, что соответствует полосе пропускания обнаружения 0.417 Гц. Превосходный стандартный сигнал QEPAS на основе 1f может быть получен, как показано на рис. 3a. На рис. 3b значение t a было уменьшено до 500 мс, а частота модуляции лазера была установлена ​​на резонансную частоту QTF, f 0 . Два затухающих хвоста, относящиеся к пику и впадине сигнала первой гармоники, наблюдались, когда ширина полосы обнаружения LIA составляла 0,417 Гц, как и ранее, что означает, что переходный QTF-отклик постепенно преобладает при возбуждении квазиимпульсного акустического сигнала QTF.Но на первый затухающий хвост повлияла впадина сигнала первой гармоники, и только второй свободно затухающий хвост, вызванный впадиной, отражает правильное время отклика. Когда время взаимодействия было уменьшено до 10 мс, возник акустический импульс из-за времени взаимодействия, которое намного короче времени отклика QTF. Когда частота модуляции (f = 32 960 Гц) была отстроена от резонансной частоты QTF, наблюдался сигнал BF-QEPAS, как показано на фиг. 3c. В этом случае время усреднения было сокращено до 100 мкс (полоса обнаружения 1250 Гц), чтобы обеспечить достаточную полосу отклика и поддерживать эффективное подавление фонового шума.Кроме того, результат показал, что амплитуда сигнала BF-QEPAS пропорциональна силе акустической силы, которая определяется концентрацией целевого газа. Эта концентрация газа может быть получена путем определения пикового значения сигнала BF-QEPAS. Значение f 0 может быть получено, поскольку BF равно разнице между значениями f 0 и f:

Рисунок 3: Результаты моделирования и экспериментов BF-QEPAS.

( a c ) Выходной сигнал QTF первой гармоники для различных частот модуляции и скоростей сканирования длины волны моделировался программным обеспечением MATLAB с фактическими параметрами системы QTF.Различные скорости сканирования по длине волны можно моделировать, изменяя значение t a , поскольку этот параметр представляет время воздействия акустической силы на QTF. Значение t a оценивалось с использованием отношения ширины линии поглощения к скорости сканирования длины волны. ( d f ) Соответствующие испытания были проведены с 2,5% водяного пара при комнатной температуре и атмосферном давлении. Длина волны сканировалась со скоростью 0,12 см -1 с -1 , 3 см -1 с -1 и 72 см -1 с -1 , соответственно, путем сканирования лазерного тока. .( a , b , d , e ) Частота модуляции лазерного тока составляла 32 760 Гц, в то время как для c , f она составляла 32 960 Гц.

где Δt — временной интервал между двумя соседними пиками или спадами сигнала BF. Поскольку добротность может быть определена как отношение энергии, накопленной в резонаторе, к потерям энергии за цикл, добротность может быть рассчитана с использованием уравнения (1), из которого τ получается путем аппроксимации экспоненциального затухания BF- Огибающая QEPAS как в кольцевой спектроскопии 32 .Результаты моделирования, f s = 32,762 Гц и Q s = 1882, согласуются с экспериментальными результатами, f 0 = 32 760 Гц и Q = 1846, полученными методом электрического возбуждения 8 .

Эксперимент, основанный на методе BF-QEPAS, был проведен с использованием соответствующей полосы пропускания детектирования, использованной при моделировании, и устройства, изображенного на рис. 2. Экспериментальные результаты, показанные на рис. 3d – f, полностью согласуются с смоделированными. результаты на рис.3a – c. Поскольку скорость сканирования длины волны DFB-DL изменялась от 0,12 см -1 с -1 до 3 см -1 с -1 , обычный сигнал QEPAS изменился со стандартного сигнала первой гармоники на нерегулярный сигнал с экспоненциально затухающий хвост. Наблюдался сигнал биений 200 Гц с временем отклика 0,01797, с, когда длина волны сканировалась со скоростью 72 см -1 с -1 (эквивалентно времени взаимодействия около 10 мс) и модулировалась на частота 32 960 Гц.Экспериментальные результаты параметра QTF, f t = 32,760 Гц и Q t = 1848, превосходно согласуются с результатами моделирования.

Экспериментальная оптимизация

Производительность датчика BF-QEPAS была оптимизирована с использованием 2,5% водяного пара в N 2 (раздел «Методы») при комнатной температуре и атмосферном давлении. Выбранная линия поглощения H 2 O расположена на 7 306,75 см −1 с интенсивностью линии 1,8 × 10 −20 см моль −1 .Температура лазера была установлена ​​на 9,65 ° C, а постоянный ток. ток был установлен на 120 мА для достижения целевой длины волны H 2 O. Выходная мощность диодного лазера для этих условий работы составила 13,0 мВт. Наклон фильтра и постоянная времени LIA были установлены на 12 дБ (дополнительный рисунок 2, дополнительное примечание 2) и 100 мкс (дополнительный рисунок 3 и дополнительное примечание 2), что соответствует полосе обнаружения 1250 Гц. Результаты экспериментов подтвердили, что эти настройки не искажают форму линии сигнала BF-QEPAS и поддерживают узкую полосу пропускания, необходимую для снижения шума.

В обычном датчике на основе QEPAS наибольшая амплитуда гармонической составляющей 2f обычно ниже, чем амплитуда сигнала 1f, как показано на рис. 4a, b. Однако в качестве сигнала обнаружения часто используется гармоническая составляющая 2f. Это связано с тем, что положение пика сигнала 2f соответствует положению линии поглощения мишени 33 . Кроме того, большое время отклика τ QTF требует, чтобы обычные датчики на основе QEPAS работали в режиме синхронизации линии 21 .В новом датчике на основе BF-QEPAS сигнал BF-QEPAS от первой, второй и третьей гармоник имеет одинаковую форму волны. Оптимальную гармонику необходимо определить экспериментально. Были измерены сигналы BF-QEPAS, показанные на рис. 4d-f, от первой, второй и третьей гармоник с полосой обнаружения 1250 Гц. Дальнейшие оценочные испытания BF-QEPAS были выполнены на первой гармонике, поскольку сигнал 1f BF-QEPAS имеет наибольшую амплитуду и обеспечивает улучшенный минимальный предел обнаружения.

Рисунок 4: Стандартные первые три гармоники и соответствующие сигналы BF, полученные с помощью традиционных методов QEPAS и BF-QEPAS.

( a c ) Скорость сканирования длины волны диодного лазера, постоянная времени и крутизна фильтра LIA для обычного метода QEPAS составляли 0,12 см -1 с -1 , 300 мс и 12 дБ (соответствует полосе обнаружения 0,417 Гц). ( d f ) Те же параметры составляли 36 см -1 с -1 , 100 мкс и 12 дБ (что соответствует полосе обнаружения 1250 Гц) для метода BF-QEPAS. Частоты модуляции лазера для стандартной первой ( a ), второй ( b ) и третьей ( c ) гармоник составляли 32,760, 16,380 и 10920 Гц, а для соответствующих сигналов BF — 32,640, 16,320 и 10880 Гц ( d f ) соответственно.

Частота и глубина модуляции оказывают значительное влияние на сигналы BF-QEPAS. Оптимизация частоты модуляции проводилась с той же глубиной модуляции (MD = 29 мА) и оптимальной скоростью сканирования длины волны, 36 см -1 с -1 (дополнительный рисунок 4 и дополнительное примечание 2). Результаты оптимизации представлены на рис. 5а. Измерение проводилось в диапазоне от 32 440 Гц до 33075 Гц, поскольку QTF не реагирует на частоты за пределами этого диапазона. Были проанализированы амплитуды сигнала BF-QEPAS между 32 440 и 32 705 Гц, поскольку кривая отклика амплитуды сигнала BF-QEPAS симметрична и центрирована на резонансной частоте QTF.Два фактора определяют амплитуду сигналов BF-QEPAS. Первый фактор — это реакция QTF на частоту акустической волны, которая равна частоте модуляции лазера. QTF легче возбудить для вибрации, когда частота модуляции лазера f приближается к резонансной частоте QTF f 0 . Второй фактор — это величина BF, Δf. Небольшой BF вызывает большой интервал между двумя конструктивными помехами. Чем длиннее интервал, тем больше энергии колебаний QTF рассеивается во время интервала.Эти два фактора работают в унисон, чтобы генерировать максимальную амплитуду сигнала BF. На рис. 5а амплитуда сигнала BF-QEPAS увеличивается в диапазоне частот от 32 440 до 32 640 Гц по мере усиления отклика QTF, в то время как амплитуда уменьшается между 32 640 и 32 705 Гц, поскольку второй фактор постепенно доминирует. Кроме того, MD был оптимизирован для оптимальной частоты модуляции f = 32 640 Гц. Максимальный сигнал BF-QEPAS наблюдался при MD = 29 мА, как показано на фиг. 5b. Следовательно, следующие оценочные испытания этого датчика были выполнены с MD = 29 мА и f = 32 640 Гц.

Рисунок 5: Качественное представление кривых отклика QTF.

( a ) Красная кривая соответствует экспериментальным данным, полученным с помощью метода BF-QEPAS, а синие линии соответствуют пиковому значению сигнала 2f, сгенерированному с помощью обычного метода QEPAS. Как обычные сигналы QEPAS, так и сигналы BF-QEPAS симметричны и центрированы на резонансной частоте QTF. Однако их максимальные положения различаются. Обычный сигнал QEPAS демонстрирует лоренцево поведение.В результате его максимальное положение находится на резонансной частоте QTF. Кривая сигнала BF-QEPAS имеет форму двух крыльев, так что два максимальных положения появляются по обе стороны от резонансной частоты. ( b ) Амплитуда сигнала биений как функция тока глубины модуляции (MD). Тенденция изменения сигнала биений с увеличением глубины модуляции демонстрирует поведение, аналогичное обычному методу модуляции длины волны. Амплитуда сигнала увеличивается, когда ток глубины модуляции <29 мА.После достижения максимума амплитуда сигнала начинает уменьшаться.

Для сравнения амплитуда обычного сигнала 2f QEPAS как функция частоты, полученная с помощью того же устройства (раздел «Методы»), также представлена ​​на рис. 5a. Пик сигнала 2f QEPAS на резонансной частоте примерно на 16% выше оптимальной амплитуды сигнала BF-QEPAS. Однако время усреднения 1f BF-QEPAS на три порядка меньше, чем время усреднения 2f QEPAS.

Предел обнаружения

Чувствительность обнаружения газового датчика определяется отношением сигнал / шум.Предыдущие экспериментальные исследования подтвердили, что в фоновом шуме обычного датчика на основе QEPAS преобладает тепловой шум QTF 34 , который можно выразить как:

, где k B — постоянная Больцмана, T — QTF. температура и Δf det — общая полоса пропускания системы обнаружения для двух каналов обнаружения LIA. Для датчика на основе BF-QEPAS тепловой шум QTF не может быть рассчитан с использованием уравнения (5). Вместо этого плотность мощности шума следует интегрировать по резонансной кривой QTF, поскольку ширина полосы LIA значительно шире, чем резонансная кривая QTF.Эквивалентная ширина полосы обнаружения шума (ENBW) QTF составляет πf 0 / 2Q. Следовательно, тепловой шум QTF выражается как

Общий основной шум также включает шум резистора обратной связи и должен быть интегрирован по всей полосе пропускания синхронизированного детектора:

Следовательно, общий шум может быть выражен как:

Коэффициент отражает тот факт, что шум рассчитывается только для одного канала детектирования. Теоретически оцененный уровень шума составляет 13,9 мкВ.Экспериментально измеренный уровень шума находился в диапазоне 11–15 мкВ, что отлично согласуется с теоретически оцененным результатом.

Линейный отклик датчика BF-QEPAS был исследован путем измерения амплитуды второго пика BF-QEPAS на основе 1f (дополнительный рисунок 5 и дополнительное примечание 3) для различных концентраций H 2 O (раздел «Методы») с оптимизированные параметры, указанные выше. Результаты представлены на рис. 6. Линейность реакции сенсора на уровни концентрации H 2 O подтверждается высоким значением R 2 (> 0.999) линейного фитинга.

Рисунок 6: Линейная зависимость сигнала BF-QEPAS от уровней концентрации H 2 O.

Сигнал BF-QEPAS на основе 1f регистрировали при изменении уровней концентрации H 2 O. Для каждого шага концентрации 50 показаний сигнала BF-QEPAS были усреднены для повышения точности результата. Данные были нанесены на график как функция концентрации H 2 O, что подтверждает линейность реакции BF-QEPAS на концентрацию.

Концентрация эквивалента шума (NEC) датчика на основе BF-QEPAS для времени интегрирования 0,1 мс оценивается примерно в 5,9 p.pm. на основе уровня фонового шума и данных, представленных на рис. 6. Следовательно, коэффициент NNEA для H 2 O составляет 2,45 × 10 −9 см −1 Вт Гц −1/2 (раздел «Методы» ), что на порядок выше, чем полученное обычным методом QEPAS.

Анализ отклонения Аллана – Верле был проведен для оценки долговременной стабильности датчика BF-QEPAS, как показано на рис.7. ADM был заполнен чистым N 2 при атмосферном давлении. Сенсорная система работала при комнатной температуре в режиме BF-QEPAS, и длина волны лазера сканировалась с оптимизированной скоростью. Отклонение Аллана – Верле указывает на то, что тепловой шум резистора обратной связи (R g ) и QTF являются доминирующими источниками шума, а датчик на основе BF-QEPAS позволяет усреднять данные без базовой линии или дрейфа чувствительности для временной шкалы. из> 70 с.

Рис.