Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии»




НазваниеКонспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии»
страница12/16
Дата14.10.2012
Размер2.17 Mb.
ТипКонспект
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   16

8 РАДАРЫ


8.1 Микромощные импульсные радары


В 1993 году в Lawrence Livermore National Laboratory был разработан микромощный импульсный радар (МИР), который является недорогим бесконтактным детектором расстояния до объекта. Принцип действия МИР напоминает принцип действия обычных импульсных радарных систем, но между ними есть несколько существенных отличий. В состав МИР (рисунок 76) входит генератор белого шума, выходной сигнал которого запускает импульсный генератор.



а) б)

Рисунок 76 – Блок-схема микромощного радара а) и его временная диаграмма б)


Импульсный генератор вырабатывает очень короткие импульсы со средней частотой 2 МГц + 20 %. Каждый импульс имеет фиксированную длительность τ, а появляются они в произвольные моменты времени. По отношению друг к другу эти импульсы расположены произвольным образом. Интервалы времени между двумя соседними импульсами лежат в пределах 200625 нс. Можно сказать, что в МИРе происходит частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) сигнала белым шумом с максимальной глубиной модуляции 20 %. В свою очередь, прямоугольные импульсы генератора модулируют амплитуду сигнала радиопередатчика. Амплитудная модуляция (AM) сигнала передатчика имеет 100 % глубину. Это означает, что радиопередатчик от импульсов то включается, то выключается. Такая двухступенчатая модуляция называется модуляцией ЧИМ-АМ.

Радиопередатчик вырабатывает высокочастотный радиосигнал, состоящий из коротких пачек импульсов, которые через антенну передаются в окружающую среду. Электромагнитные волны отражаются от объекта и возвращаются обратно на радар. Тот же самый импульсный генератор, который модулирует сигнал передатчика, управляет и радиоприемником (с определенной задержкой по времени). Таким образом, приемник получает сигнал только в строго заданном интервале времени. Процесс импульсного управления приемником позволяет значительно снизить потребляемую мощность. Принятые отраженные импульсы демодулируются (восстанавливается прямоугольная форма сигнала). После чего определяется временная задержка между переданным и принятым сигналами. Эта временная задержка пропорциональна расстоянию D от антенны до объекта, от которого принятые волны отразились: td=2D/c, где с  скорость света.

Несущая частота (центральная частота) радиопередатчика обычно равна либо 1,95 ГГц, либо 6,5 ГГц. Из-за того, что модуляционные импульсы имеют очень короткую длительность, частотная полоса излучаемых сигналов очень широкая  порядка 500 МГц (для 1,95 ГГц несущей). Пространственное распределение переданной энергии определяется типом антенны. Для дипольной антенны зона перекрытия составляет почти 360°, но, используя различные типы рупоров, рефлекторов и линз, можно получить практически любую форму области распространения. Благодаря случайной модуляции генератора импульсов, широкой полосе пропускания и низкой спектральной плотности передаваемого сигнала, сигналы МИРа практически невозможно подавить радиоэлектронными методами, но при этом сам он остается незаметным для других, поскольку его излучение, принятое несинхронизированными приемниками, воспринимается как белый тепловой шум.

Средний рабочий цикл передаваемых импульсов относительно мал (<1 %). Поскольку импульсы распределены случайным образом, практически любое количество идентичных МИР могут работать в одной и той же зоне без разделения частот (т.е. они могут работать на той же самой несущей частоте внутри одной и той же частотной полосы). Шанс пересечения передаваемых сигналов от разных МИР очень мал. Даже если это произойдет, схема осреднения значительно снизит уровень помех. Для определения временной задержки, как правило, усредняется порядка 10 000 полученных импульсов.

Другим достоинством МИР является их низкая стоимость и очень низкая потребляемая мощность радиоприемника  около 12 мкВт. Потребляемая мощность всей системы обычно составляет 50 мкВт.

МИР применяются в измерителях расстояний (рисунок 77), в детекторах обнаружения, в датчиках уровня, в автоматизированных системах, роботах, медицинских инструментах, системах вооружения и даже в игрушках.



а) б)


а) внутренняя арматура бетонной плиты (30 см) перед заливкой;

б) реконструированное 3D изображение той же плиты,
полученное при помощи МИР


Рисунок 77 – Пример применения МИР


8.2 Радар для зондирования грунта


Высокочастотные радары для зондирования грунта (РЗГ) применяются в гражданском строительстве, археологии, криминалистике и т.д. Принцип действия таких радаров довольно классический: они посылают радиоволны и принимают отраженные сигналы. Временная задержка между переданными и принятыми сигналами и есть величина, пропорциональная расстоянию до отражающей поверхности. Если радары, работающие в воздушной среде, измеряют расстояния до нескольких тысяч километров, рабочий диапазон РЗГ составляет, в лучшем случае, несколько сотен метров. Радары для зондирования грунта работают в интервале частот 500 МГц1,5 ГГц. Радиоволны не могут проникать глубоко в почву, камни, а также в большинство материалов, сделанных людьми, например, бетон.

Коэффициент экспоненциального ослабления сигнала α, как правило, определяется по электропроводности материала. В простых однородных материалах такое затухание сигнала является доминирующим фактором. В большинстве материалов энергия сигнала также теряется из-за наличия в них неоднородностей разного типа и воды. Влияние воды сказывается двумя путями: во-первых, в ней содержатся ионы, которые меняют объемную проводимость среды; во-вторых, молекулы воды на частотах выше 1000 МГц поглощают электромагнитную энергию. На рисунке 78 показано изменение коэффициента ослабления от частоты возбуждающего сигнала и типа материала.



а) б)


а) затухание радиоволн в разных материалах (коэффициент ослабления зависит от типа материала и рабочей частоты сигнала; на низких
частотах (<1 МГц) затухание сигнала в основном определяется
электропроводностью среды, а на высоких частотах (>1000 МГц) –
поглощением энергии молекулами воды); б) затухание сигнала
ограничивает глубину исследования грунта, по мере проникновения
в глубь среды мощность потерь увеличивается экспоненциально


Рисунок 78 – Изменение коэффициента ослабления от частоты
возбуждающего сигнала и типа материала


В сухих материалах коэффициент ослабления наименьший и, следовательно, наибольшая глубина проникновения радиосигнала (рисунок 79а).



а) б)


а) максимальная глубина проникновения радиосигналов для разных материалов; б) графическое представление исследуемого слоя,
расположенного в мокром песке

Рисунок 79 – Проникновение радиосигналов в разные материалы

На рисунке 79б показан пример картинки на мониторе радара, полученной в процессе исследования грунта.

Снижение частоты позволяет увеличить глубину проникновения в грунт, поскольку коэффициент ослабления сигнала сильно зависит от частоты. Но при уменьшении частоты всплывают две других особенности ЗГР. Во-первых, снижение частоты приводит к падению разрешающей способности. Во-вторых, при очень низкой частоте электромагнитные поля распространяются, в основном, диффузионным способом, и здесь уже больше подходят методы измерений электромагнитной индукции и вихревых токов.


8.3 Датчики толщины и уровня


Измерять толщину материала приходится практически везде: и при производстве любых изделий, и при контроле их качества, и при проведении разнообразных исследований и т.д. Существуют различные методы определения толщины: от оптических до ультразвуковых и рентгеновских. В этом разделе будут коротко рассмотрены менее известные из них.


8.4 Датчики абляции


Абляция  это рассеяние тепла при расплавлении или удалении защитного слоя, происходящее под действием высоких температур. Системы тепловой защиты (СТЗ), построенные на этом принципе, используются для предохранения внутренних конструкций и оборудования космических кораблей от перегрева во время спуска при входе в атмосферу Земли. Такие СТЗ основаны на химическом разложении или фазовых переходах (или на том и другом вместе) определенных веществ, т.е. на реакциях, проходящих с поглощением тепла при температурах ниже критических для защищаемых объектов. В этом случае попадающая на объект тепловая энергия направляется на плавление, сублимацию или разложение абляционного материала. Скорость удаления абляционного материала прямо пропорциональна тепловому потоку на поверхности объекта. Оценить этот тепловой поток можно, измерив толщину защитного слоя. Следовательно, датчики абляции  это разновидность датчиков перемещений, которые определяют положение защитного слоя над внешней поверхностью объекта. По полученным данным оцениваются толщина оставшегося абляционного слоя и тепловой поток, действующий на объект. Датчики абляции могут быть внутренними (встроенными в защитный слой) и наружными.

Встроенные датчики реализуются на основе либо детектора разрыва проволочек, либо преобразователя излучений, либо световодов. Детектор разрыва проволочек состоит из нескольких тонких проводков, вмонтированных в абляционный слой на разных известных уровнях. Когда процесс разложения доходит до очередного проводка, он разрушается, тем самым разрывая электрическую цепь. Эта концепция проиллюстрирована на рисунке 80а. Иногда во все проволочки встраиваются термопары, которые располагаются строго друг под другом. Такая конструкция обеспечивает строгую очередность разрушения термопар и позволяет оценить температурный профиль защитного слоя и его изменение во времени.



а) б) в)


а) на основе детектора разрыва проволочек с термопарами из разных металлов x и y; б) на основе световодов; в) измерение тонкого слоя жидкости емкостным методом


Рисунок 80 – Встроенные датчики абляции


Датчик абляции на основе световодов состоит из кварцевых оптоволоконных световодов, встроенных в защитный слой на известной глубине (рисунок 80б). Когда процесс разложения доходит до очередного световода, на выходе соответствующего фотодиода появляется электрический сигнал. Этот метод позволяет получить данные о прохождении фронта разложения через определенные точки слоя, но не дает возможности измерить температуру в этих точках, что обеспечивал предыдущий способ.

Наружный датчик абляции может быть реализован емкостным методом. В этом случае датчик представляет собой два электрода, которые могут иметь различную форму. Этот датчик включается последовательно с катушкой индуктивности и резистором, подсоединенных к волноводу (например, коаксиальному кабелю). Устройство, показанное на рисунке 81, очень напоминает структуру передатчикантенна.





Рисунок 81 – Принципиальная схема наружного резонансного датчика абляции (слева) и его внешний вид (справа)


Резонансная частота полученного RLC контура приблизительно равна:

. (8.1)

При выполнении условий резонанса вся электромагнитная энергия, поступившая в контур, рассеивается на резисторе. Однако если вследствие изменения емкости меняется частота контура, часть энергии отражается назад к источнику. Если емкость продолжит изменяться, доля отраженной энергии возрастет. Когда речь идет об антенне, работающей подобным образом, говорят, что она расстроилась. Для определения доли отраженной энергии между источником радиочастотного сигнала и волноводом ставят мостовой измеритель коэффициента отражения (ИКО), часто называемый панорамным измерителем, постоянное напряжение которого пропорционально этой доле. После чего производят настройку антенны, для чего выходное напряжение мостовой схемы делается минимальным, при этом передаваемая энергия становится максимальной.


8.5 Детекторы толщины пленок


Датчики для измерения толщины пленок бывают механическими, оптическими, электромагнитными и емкостными. Оптические методы могут применяться только с прозрачными и полупрозрачными пленками. Плоские электроды, имитирующие конденсатор с параллельными пластинами, позволяют получать большие изменения выходного сигнала. Для обеспечения точности измерений эти пластины должны быть строго параллельны исследуемой пленке. Поскольку пленка может быть нанесена на поверхность любой формы, под каждый конкретный случай разрабатываются электроды специальной формы.


В работе описан простой емкостной датчик, измеряющий толщину жидких пленок. В нем определяется емкость между двумя небольшими электродами, выступающими над поверхностью жидкости (рисунок 80в).

Жидкость выполняет роль диэлектрика между пластинами конденсатора. Если диэлектрическая проницаемость жидкости отличается от проницаемости воздуха, изменение уровня жидкости приведет к изменению емкости датчика. Этот конденсатор входит в состав частотного модулятора, на вход которого подается фиксированная частота. Выходная частота модулятора определяется величиной емкости конденсатора датчика.

На рисунке 82 представлен датчик со сферическим электродом, используемый для измерения толщины сухой диэлектрической пленки. Емкость измеряется между металлической сферой (шарик из нержавеющей стали диаметром 34 мм) и проводящей подложкой.




Рисунок 82 – Емкостной датчик для измерения толщины сухой
диэлектрической плёнки (слева) и форма передаточной функции
(справа)


Для уменьшения краевых эффектов шарик помещается в активный экран, помогающий направлять электрическое поле через диэлектрическую пленку на подложку.


8.6 Датчики уровня жидкости


Известно много способов измерения уровня жидкости. Для этого подходят и резистивный, и оптический, и магнитный, и емкостной датчики.

Выбор датчика для каждого конкретного случая определяется многими факторами, но, пожалуй, основным из них является тип жидкости. Сложнее всего измерять уровень сжиженных газов, особенно жидкого гелия, обладающего низкой плотностью и низкой диэлектрической проницаемостью, не считая того, что он должен храниться в закрытых сосудах Дюара при криогенных температурах. Для таких сложных случаев наиболее подходят датчики, реализованные на основе линии передач. Принцип действия этих датчиков подобен принципу датчиков абляции (см. рисунок 81). На рисунке 83 показана конструкция датчика для измерения уровня жидкостей на основе линии передач.




Рисунок 83 – Датчик на основе линии передач (слева)
и его передаточная функция (справа)


Чувствительный элемент напоминает емкостной датчик уровня, показанный на рисунке 84.




Рисунок 84 – Емкостной датчик уровня воды (слева) и зависимость
емкости датчика от уровня вод (справа)

Однако его принцип действия не заключается в изменении диэлектрической проницаемости жидкости. Сенсор представляет собой длинную трубку с внутренним электродом, окруженную внешним цилиндрическим электродом. Вся эта конструкция погружается в жидкость, заполняющую пространство между электродами до уровня х. На электроды подается высокочастотный сигнал (порядка 10 МГц). Длина сенсора по отношению к длине волны может быть любой, но для обеспечения линейности рекомендуется, чтобы она была меньше (1/4)λ. Высокочастотный сигнал проходит вдоль линии передач, сформированной двумя электродами. Поскольку диэлектрическая проницаемость жидкости отличается от проницаемости паров, свойства линии передач будут определяться положением границы между жидкостью и паром (другими словами, уровнем жидкости). Высокочастотный сигнал будет частично отражен от поверхности раздела жидкостьпар и вернется назад в верхнюю часть сенсора. В некоторой степени эта система напоминает радар, посылающий сигнал к объекту и принимающий отраженный сигнал. Измеряя сдвиг фаз между переданным и отраженным сигналами, определяется положение границы раздела. Сдвиг фаз измеряется при помощи фазового компаратора, на выходе которого вырабатывается постоянное напряжение. Более высокая диэлектрическая проницаемость обеспечивает более высокий коэффициент отражения и, соответственно, лучшую чувствительность датчика (см. рисунок 83).

1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   16

Похожие:

Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» iconА. Н. Павлов Интеллектуальные средства измерений
Конспект лекций для студентов специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии»
Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» iconЮ. А. Дадаян Сборник лабораторных работ по курсу
Методические указания предназначены для студентов специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии»
Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» iconРекомендации для студента включают в себя следующее: •
Автоматизация и управление, по специальности 220201 “Управление и информатика в технических системах”,для направления 200100 Приборостроение,...
Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» iconКонспект лекций для студентов по специальности i-25 01 08 «Бухгалтерский учет, анализ и аудит»
Конспект лекций предназначен для подготовки студентов бухгалтерских специальностей по дисциплине «Управленческий учет»
Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» iconИнформационно-измерительная система контроля электрических параметров гидрогенератора
Работа выполнена на кафедре "Информационно-измерительная техника" фгбоу впо "Самарский государственный технический университет"
Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» iconКонспект лекций по дисциплине «Основы лесоводства и лесной таксации»
Конспект лекций предназначен для студентов заочного отделения указанной специальности
Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» iconРабочая программа по дисциплине «Информационно-измерительная техника и электроника»
Рабочая программа по дисциплине «Информационно-измерительная техника и электроника» рассмотрена и утверждена методической комиссией...
Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» iconМетодические указания составлены в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Измерительная техника»
Рабочая программа учебной дисциплины "Измерительная техника " предназначена для реализации Государственных требований к минимуму...
Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» iconИнформационные системы и технологии Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова 2011
«Информационно-измерительная техника и технологии» и 230201. 65 «Информационные системы и технологии»
Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» iconО. Л. Молдованова Документационное обеспечение управления
Конспект лекций предназначен для студентов всех форм обучения по специальности 0801110 «Экономика и бухгалтерский учет (по отраслям)»...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница