PL205086B1 - Sposób pomiaru wielkości fizycznych i układ do pomiaru wielkości fizycznych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazków jest sposób pomiaru wielkości fizycznych i układ do pomiaru wielkości fizycznych, stosowany wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba pomiaru bardzo słabych sygnałów w obecności towarzyszących im szumów i zakłóceń.

Z polskiego opisu patentowego nr 190763 znany jest sposób pomiaru wielkoś ci fizycznych, który polega na tym, że mierzoną wielkość fizyczną przetwarza się na sygnał napięciowy, którym to sygnałem moduluje się częstotliwość generacji wiązki światła laserowego. Następnie wiązkę światła laserowego zmodulowaną częstotliwościowo przekształca się w wiązkę światła laserowego zmodulowaną amplitudowo i poddaje się detekcji. Sygnał elektryczny wzmacnia się oraz wyznacza i odczytuje się wartość mierzonej wielkości fizycznej, przy czym wartość mierzonej wielkości fizycznej jest proporcjonalna do sygnału elektrycznego po detekcji.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 190763 miernik do pomiaru wielkości fizycznych, który charakteryzuje się tym, że promień światła laserowego z pierwszego lasera poprzez filtr optyczny i pierwszy światłowód pada na fotodetektor, z którego sygnał elektryczny jest przesyłany przez wzmacniacz do układu wskaźnikowego.

Sposób i urządzenie do szeroko zakresowych pomiarów wielkości fizycznych znany jest z polskiego opisu patentowego nr 174234. Zgodnie ze sposobem tworzy się estymaty sterujące sygnałem kompensującym reakcję elementu czułego na mierzoną wielkość fizyczną i steruje się współczynnikiem czułości czujnika pomiarowego zgodnie z odpowiednią zależnością matematyczną. Urządzenie zawiera czujnik pomiarowy, między wejście i wyjście którego dołączona jest pętla sprzężenia zwrotnego zawierająca blok formowania estymat, do wyjścia którego dołączony jest układ kompensacji. Element czuły czujnika połączony jest z układem sterującym czułością, który poprzez układ formowania sygnału sterującego czułością połączony jest z drugim wyjściem bloku formowania estymat, które to drugie wyjście stanowi wyjście układu obliczania wartości czułości. Układ formowania estymat zawiera układ obliczania wartości czułości, którego wyjście połączone jest z wejściem układu obliczania estymat, a drugie wyjście połączone jest z wejściem układu obliczania błędu średniokwadratowego. Jedno wyjście tego układu połączone jest poprzez układ opóźniający z wejściem układu obliczania wartości czułości, a drugie wyjście połączone jest poprzez układ pamiętający poprzednią wartość z wejściem układu obliczania estymat. Układ obliczania estymat i układ obliczania błędu średniokwadratowego mają wyjście i wejście sterujące połączone układem pamiętającym wartość poprzednią.

Znany ze stosowania, sposób pomiaru wielkości fizycznych przy wykorzystaniu parametrów intermodulacyjnych systemu polega na tym, że na wejście układu pomiarowego podaje się dwa niezniekształcone sygnały sinusoidalne o znacznie różniących się częstotliwościach f1 i f2, a następnie mierzy się selektywnie składowe intermodulacyjne o częstotliwościach |f1 ± f2| oraz |2f1 ± f2| i |2f2 ± f1|. Pomiar ten jest dokonywany przy użyciu stabilnych generatorów w liczbie równej liczbie stosowanych częstotliwości oraz woltomierza selektywnego lub analizatora widma o dużej czułości, dobrej selektywności i liniowoś ci.

Składowe intermodulacyjne są zwykle wielokrotnie mniejsze od sygnałów podstawowych i stąd też ich dokładny pomiar jest uciążliwy i obarczony dużym błędem pomiarowym.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że mierzy się składowe intermodulacyjne synchronicznie w stosunku do wszystkich sygnałów wejściowych, biorących udział w ich powstawaniu, przy czym wszystkie sygnały podstawowe i składowe intermodulacyjne są wielokrotnością okresu jednego sygnału zegarowego T. W tym celu w generatorze sygnału odniesienia generuje się sygnał odniesienia, po czym z jego użyciem generuje się co najmniej dwa sygnały wejściowe, które podaje się na wejście nieliniowego układu badanego obiektu. Na wyjściu układu badanego obiektu otrzymuje się sygnał zawierający składowe o częstotliwościach będących wzajemnymi kombinacjami częstotliwości sygnałów wejściowych w postaci fklrs = k*fr±l*fs, gdzie k, l = 0, 1, 2, 3, .....n, zaś r, s = 0, 1, 2,

....m, przy czym m jest ilością sygnałów wejściowych natomiast n przybiera wartości całkowitych liczb naturalnych.

Następnie sygnał wyjściowy, zawierający składowe intermodulacyjne wzmacnia się we wzmacniaczu, dalej w układzie próbkującym próbkuje się go synchronicznie z sygnałem generatora sygnału odniesienia, a następnie sygnał z wyjścia układu próbkującego, zawierający mierzone składowe intermodulacyjne poddaje się detekcji synchronicznej w cyfrowym demodulatorze, którego wejście referencyjne jest sterowane sygnałem z generatora cyfrowego, synchronizowanego generatorem sygnału odniesienia.

PL 205 086 B1

Istota układu według wynalazku polega na tym, że jest wyposażony w generator sygnału odniesienia, którego pierwsze wyjście jest połączone poprzez generator sygnałów wejściowych z wejściem układu badanego obiektu, którego wyjście jest połączone poprzez wzmacniacz, układ próbkujący i demodulator cyfrowy z wyjś ciem pomiarowym. Drugie wyjś cie generatora sygnał u odniesienia jest połączone z drugim wejściem układu próbkującego a trzecie wyjście generatora sygnału odniesienia poprzez generator cyfrowy z wyjściem referencyjnym synchronicznego demodulatora cyfrowego.

Zaletą sposobu według wynalazku jest wykorzystanie synchronizmu składowych intermodulacyjnych w stosunku do sygnałów podstawowych. W ogólnym przypadku, warunkiem uzyskania synchronizmu pomiędzy sygnałami wejściowymi i sygnałami intermodulacyjnymi jest to, aby okresy wszystkich sygnałów (podstawowych i intermodulacyjnych) były wielokrotnością okresu jednego sygnału zegarowego T. Układ zgodny z wynalazkiem jest bardzo przydatny w wielu dziedzinach nauki i techniki, a w szczególnoś ci tam, gdzie jest niezbędny dokł adny pomiar parametrów charakteryzują cych nieliniowość obiektów fizycznych, w tym również obiektów biologicznych oraz systemów telekomunikacyjnych i elektroakustycznych.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu do pomiaru wielkości fizycznych.

Sposób pomiaru wielkości fizycznych, w którym mierzy się intermodulacyjne sygnały wyjściowe synchronicznie w stosunku do wszystkich sygnałów wejściowych, biorących udział w jego powstawaniu polega na tym, że wszystkie sygnały podstawowe i intermodulacyjne są wielokrotnością okresu jednego sygnału zegarowego T. W tym celu w generatorze sygnału odniesienia 1 generuje się sygnał odniesienia, po czym z jego użyciem generuje się co najmniej dwa sygnały wejściowe i przesyła się na wejście nieliniowego układu badanego obiektu 3, na wyjściu którego otrzymuje się sygnał zawierający składowe o częstotliwościach będących wzajemnymi kombinacjami częstotliwości sygnałów wejściowych w postaci fklrs = k * fr +/- l * fs, gdzie k, l = 1, 2, 3,.....n, zaś r, s = 1, 2,.....m, przy czym m jest ilością sygnałów wejściowych natomiast n przybiera wartości całkowitych liczb naturalnych.

Następnie sygnał wyjściowy, zawierający składowe intermodulacyjne wzmacnia się we wzmacniaczu 4, po czym w układzie próbkującym 5 próbkuje się go synchronicznie z sygnałem generatora sygnału odniesienia 1. Następnie sygnał z wyjścia układu próbkującego 5, zawierający mierzone składowe intermodulacyjne poddaje się detekcji synchronicznej w cyfrowym demodulatorze 6, którego wejście referencyjne jest sterowane sygnałem z generatora cyfrowego 8, synchronizowanego generatorem sygnału odniesienia 1.

Niemal każdy proces fizyczny jest nieliniowy. Zjawisko nieliniowości objawia się w ten sposób, że na wyjściu procesu pojawiają się dodatkowe sygnały, będące wzajemnymi kombinacjami sygnałów wejściowych. Nieliniowy system, pozbawiony pamięci najczęściej opisuje się za pomocą następującego wielomianu potęgowego:

y(t) = a0 + a1* [x(t)] + a2 * [x(t)]² + a3 * [x(t)]³ + + an * [x(t)]ⁿ gdzie x(t) - sygnał wejściowy, a0, a1, a2, a3, ........an stanowią współczynniki charakterystyczne wielomianu. Rząd nieliniowości zależy od ilości współczynników an, występujących w wielomianie. Jeśli na wejście systemu opisanego wielomianem zostanie podany sygnał będący sumą sygnałów sinusoidalnych o częstotliwościach f1, f2, f3, fm, to na wyjściu systemu oprócz składowych o częstotliwości sygnału wejściowego pojawią się dodatkowe składowe o częstotliwościach będących wzajemnymi kombinacjami częstotliwości składowych sygnału wejściowego oraz ich harmonicznych. Częstotliwości fklrs poszczególnych składowych sygnału na wyjściu systemu nieliniowego w ogólnym przypadku zapisać można następująco:

fklrs = k * fr +/-l * fs, gdzie k, l = 1, 2, 3,.....n oraz r, s = 1, 2,.....m

Dodatkowe sygnały, wywołane zjawiskiem nieliniowości nazywa się składowymi intermodulacyjnymi. Poziom oraz rodzaj składowych intermodulacyjnych zależy od rodzaju nieliniowości systemu i jest miarą tej nieliniowości. Pomiar wielkości składowych intermodulacyjnych jest konieczny między innymi do oceny jakości systemów, w tym systemów telekomunikacyjnych i elektroakustycznych.

W praktyce, większość systemów telekomunikacyjnych i elektroakustycznych wykazuje nieliniowość drugiego i trzeciego rzędu, co można zapisać następująco:

y(t) = a0 + a1 * [x(t)] + a2 * [x(t)]² + a3 * [x(t)]³

Jeśli na wejście systemu opisanego tym wyrażeniem zostanie podany sygnał, będący sumą dwóch sygnałów sinusoidalnych o częstotliwościach f1 i f2, to na wyjściu systemu wśród wielu składowych intermodulacyjnych pojawią się składowe o częstotliwości |f1 +/- f2|, których poziom zależy tylko

PL 205 086 B1 od współczynnika a2 oraz składowe o częstotliwości |2f1 +/- f2| i |2f2 +/- f1|, których poziom zależy tylko od współczynnika a3.

Zgodnie z nowym sposobem, wykorzystuje się synchronizm składowych intermodulacyjnych w stosunku do sygnałów podstawowych. W ogólnym przypadku, warunkiem uzyskania synchronizmu pomiędzy sygnałami wejściowymi i sygnałami intermodulacyjnymi jest to, aby okresy wszystkich sygnałów podstawowych i intermodulacyjnych, były wielokrotnością okresu jednego sygnału zegarowego T.

Dla intermodulacji trzeciego rzędu przy częstotliwościach podstawowych f1 i f2 oraz częstotliwości intermodulacyjnej |f3 = 2f1 - f2| konieczne jest znalezienie takich liczb naturalnych n1, n2 i n3, aby były spełnione warunki f1 = 1/(n1*T), f2 = 1/(n2*T) oraz |2f1 - f2| = 1/(n3*T). W tym przypadku dla całkowitych liczb naturalnych, równych n1=30, n2=40, n3=24 będzie to spełnione.

Układ do pomiaru wielkości fizycznych jest wyposażony w generator sygnału odniesienia 1, którego pierwsze wyjście jest połączone poprzez generator sygnałów wejściowych 2 z wejściem układu badanego obiektu 3, którego wyjście jest połączone poprzez wzmacniacz 4, układ próbkujący 5 i demodulator cyfrowy 6 z wyjściem pomiarowym 7. Drugie wyjście generatora sygnału odniesienia 1 jest połączone z drugim wejściem układu próbkującego 5, a trzecie wyjście generatora sygnału odniesienia 1 poprzez generator cyfrowy 8 z wyjściem referencyjnym demodulatora cyfrowego 6.

Zasada działania układu do pomiaru składowych intermodulacyjnych jest następująca: generator sygnału odniesienia 1 wytwarza periodyczne sygnały o okresie T, sterujące generatorem sygnałów wejściowych 2, układem próbkującym 5 oraz generatorem cyfrowym 8, sterującym cyfrowy demodulator synchroniczny 6. Generator sygnałów wejściowych 2 wytwarza dwa sinusoidalne, pomiarowe sygnały wejściowe o częstotliwościach f1 i f2, których okresy są całkowitymi wielokrotnościami okresu T. Sygnały f₁ i f₂ są następnie podawane na wejście układu badanego obiektu 3. Na skutek nieliniowości układu 3 na jego wyjściu pojawiają się składowe intermodulacyjne o częstotliwościach będących kombinacjami częstotliwości sygnałów wejściowych f₁ i f₂. Sygnał pojawiający się na wyjściu układu 3, zawierający składowe intermodulacyjne oraz składowe o częstotliwościach podstawowych f₁ i f₂ jest wzmacniany we wzmacniaczu 4 a następnie jest podawany na wejście analogowe układu próbkującego 5, przetwarzającego wartość analogową sygnału na ciąg wartości numerycznych, przy czym okres próbkowania jest równy okresowi sygnału odniesienia T. Ponieważ do oceny nieliniowości obiektu są najczęściej wykorzystywane kombinacje o częstotliwościach |f1 +/- f2| oraz |2f1 +/-f2| i |2f2 +/- f1|, więc częstotliwości f1 i f2 dobiera się tak, aby okres wybranej kombinacji był całkowitą wielokrotnością okresu sygnału odniesienia T. Następnie otrzymany ciąg numeryczny mnoży się przez odpowiedni ciąg wartości cyfrowych obrazu wybranej kombinacji, po czym wyniki mnożeń się uśrednia a otrzymana wartość liczbowa odpowiada wartości mierzonej składowej i jest związana ze stopniem nieliniowości badanego obiektu. Proces mnożenia oraz uśredniania może być dokonywany specjalizowanym układem cyfrowym lub też komputerem.

Claims (2)

1. Sposób pomiaru wielkości fizycznych, znamienny tym, że mierzy się intermodulacyjny sygnał wyjściowy synchronicznie w stosunku do wszystkich sygnałów wejściowych, biorących udział w jego powstawaniu, przy czym wszystkie sygnały podstawowe i intermodulacyjne są wielokrotnością okresu jednego sygnału zegarowego T, w tym celu w generatorze sygnału odniesienia (1) generuje się sygnał odniesienia, po czym z jego użyciem generuje się co najmniej dwa sygnały wejściowe i przesyła się na wejście nieliniowego układu badanego obiektu (3), na wyjściu którego otrzymuje się sygnał zawierający składowe o częstotliwościach będących wzajemnymi kombinacjami częstotliwości sygnałów wejściowych w postaci fklrs = k * fr +/-l * fs, gdzie k, l = 1, 2, 3, .....n, zaś r, s = 1, 2,.....m, przy czym m jest ilością sygnałów wejściowych natomiast n przybiera wartości całkowitych liczb naturalnych, po czym sygnał wyjściowy zawierający składowe intermodulacyjne wzmacnia się we wzmacniaczu (4), w układzie próbkującym (5) próbkuje się synchronicznie z sygnałem generatora sygnału odniesienia (1), a następnie sygnał z wyjścia układu próbkującego (5), zawierający mierzony sygnał intermodulacyjny poddaje się detekcji synchronicznej w cyfrowym demodulatorze (6), którego wejście referencyjne jest sterowane sygnałem z generatora cyfrowy (8), synchronizowanego generatorem sygnału odniesienia (1).

2. Układ do pomiaru wielkości fizycznych wyposażony w generator, znamienny tym, że ma generator sygnału odniesienia (1), którego pierwsze wyjście jest połączone poprzez generator sygnałów

PL 205 086 B1 wejściowych (2) z wejściem układu badanego obiektu (3), którego wyjście jest połączone poprzez wzmacniacz (4), układ próbkujący (5) i demodulator cyfrowy (6) z wyjściem pomiarowym (7), przy czym drugie wyjście generatora sygnału odniesienia (1) jest połączone z drugim wejściem układu próbkującego (5) a trzecie wyjście generatora sygnału odniesienia (1) poprzez generator cyfrowy (8) z wyjściem referencyjnym demodulatora cyfrowego (6).