Способ балансировки корреляционного измерителя шума электрохимических сейсмоприемников

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в сейсмическом приборостроении. По предлагаемому способу балансировку по фазе производят по максимуму взаимно корреляционной функции сигналов опорного и испытуемого сейсмоприемников, а балансировку по амплитуде - по минимуму разности взаимно корреляционной функции указанных сигналов и усредненного квадрата сигнала испытуемого сейсмоприемника. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (5ц5 G 01 R 31/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ДД я

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4846243/21 (22) 07.05.90 (46) 07.06.92. Бюл. № 21 (71) Казанский авиационный институт им.

А.Н.Туполева (72) Н.Е.Саламатин и B.È.Åðìîëèí (53) 621.317,75(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 318890, кл. G 01 R 31/26, 1971.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1100591, кл. G 01 R 31/26, 1984, Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в сейсмометрическом приборостроении.

При корреляционном способе измерения собственных шумов электронных преобразователей в активном режиме с учетом собственных шумов устройства возбуждения, шумы испытуемого преобразователя получаются как разность автокорреляционной и взаимно корреляционной функций сигналов испытуемого и опорного преобразователей. Формирование автокорреляционной функции осуществляется с помощью квадратора и интегратора, а взаимно корреляционной — с помощью перемножителя и интегратора. Разность этих функций получается с помощью блока разности.

Электрические сигналы с опорного и испытуемого преобразователей усиливаются предварительными усилителями. В результате устройства измерения содержат два канала — канал опорного и канал испытуемого преобразователей. Для исключения собственных шумов устройства возбуждения пег," / (54) СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ;- КО РЕЛЯЦИОННОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ШУМА/ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СЕЙСМОПРИЕМ НИКОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в сейсмическом приборостроении. По предлагаемому способу балансировку по фазе производят по максимуму взаимно корреляционной функции сигналов опорного и испытуемого сейсмоприемников, а балансировку по амплитуде — по минимуму разности взаимно корреляционной функции указанных сигналов и усредненного квадрата сигнала испытуемого сейсмоприемника. 1 ил. ред измерением производят предварительную балансировку каналов по выходным напряжением сигналов предварительных усилителей. При таком способе балансировки измерительного устройства не учитывается возможный сдвиг по фазе сигналов от испытуемого и опорного преобразователей, Наиболее близким к предлагаемому является способ балансировки устройства, с помощью которого измеряют собственные шумы электрохимического сейсмоприемника, исключая влияние сейсмического фона.

Устройство содержит также испытуемый и опорный преобразователи (сейсмоприемники), установленные на столе вибростенда, который возбуждают задающим блоком, вырабатывающим гармонический сигнал. Сигналы с испытуемого и опорного сейсмоприемников поступают на входы каналов опорного и испытуемого сейсмоприемников. Канал испытуемого сейсмоп рием ника содержит посл едовател ьн о соединенные усилитель, .избирательный фильтр, квадратор и интегратор, канал

1739324 опорного — последовательно соединенные фазовращатель, усилитель с перестраиваемым коэффициентом усиления, избирательный фильтр, перемножитель, интегратор.

Выходы интеграторов соединены с входами блока разности, к выходу которого подключен измерительный прибор, Избирательные фильтры включены в каналы с целью получения спектральной плотности шумов. Балансировка этого устройства производится по выходн ым га рмоническим электрическим сигналам усилителей испытуемого и опорного каналов как по амплитуде, так и по фазе.

Такой способ балансировки является сложным, так как требует два различных индикатора (баланса амплитуды и фазы) и приводит к значительной погрешности измерения собственных шумов сейсмоприемника, так как при такой балансировке не учитываются последующие блоки каналов устройства измерения.

Целью изобретения является упрощение процесса балансировки и уменьшение погрешности измерения собственного шума электрохимических сейсмоприемников, Поставленная цель достигается тем, что балансировку по фазе поизводят с помощью измерительного прибора, подключенного к выходу измерительного устройства, по максимуму взаимно корреляционной функции сигналов Опорного и ис и ытуемого сейсмоприемников, балансировку по амплитуде выполняют с помощью того же измерительного прибора, что и балансировку по фазе, подключают его к выходу опорного канала, добиваются минимума разности взаимно корреляционной функции сигналов испытуемого и опорного сейсмоприемников и усредненного квадрата сигнала испытуемого сейсмоприемника.

Электрические сигнл ы (сигналы возбуждения), снимаемые с испытуемого и опорного сейсмоприемников, установленных на столе вибростенда, возбуждаемого задающим блоком, и являющиеся аналогом сигналов, возбуждаемых сейсмическим фоном, можно записать так:

Ови(с) =(0вт)и соз (© t P1 ) p

0воп(С) =(0вт)оп COS (Ю С вЂ” ф2 ).

Обозначим 0ш}(с), Ош2(с) — собственные шумы испытуемого и опорного сейсмоприемников. Для простоты анализа, не нарушая его общности, собственные шумы отдельных блоков каналов (усилителей, фильтров, квадратора, перемножителя, фазовращателя, интеграторов) не учитываются.

Для повышения точности балансировки принимают напряжение возбуждения UB(t) на 1,5 — 2 порядка больше напряжений, вызываемых сейсмическим фоном.

5 В процессе балансировки сигнал на выходе интегратора канала испытуемого сейсмоприемника записывается в виде ,О 0. = А.К., — 1К, Кф. (Um1(t)+ 0..(с) )ас,(1) где Аи, Ккв, Ки, Кфи — коэффициенты передачи интегратора, квадратора, усилителя, избирательного фильтра соответственно.

После возведения в квадрат, интегрирования, учитывая, что сигнал шума и сигнал возбуждения являются центрированными и независимыми сигналами и их взаимно корреляционная функция равна нулю, получим усредненный квадрат сигнала испытуемого сейсмоприемника

2 2 2 2

0.=А. К„Кф. К.a(Ue1 + О.. ), (2)

Сигнал на выходе интегратора канала опорного сейсмоприемника (взаимно корреляционная функция) запишется в виде

Т

Uon = Aon К. — f К. Коп Кф. Кф.п (01(с)+

Т

3Q + 0ви(С)) (0ш2(С) + U eon(t)) С}С, (3) где Аоп, An, Ко, Кфоп — коэффициенты передачи интегратора, перемножителя, усилителя с фаэовращателем, фильтра канала

35 опорного сейсмоприемника.

Произведя перемножение, интегрирование, учтя указанное замечание и приняв р1 = 2, получим

4(} Uoon = Коп Кп К Кооп Кфи Кфоп Usa Uaaoon, (4)

Сигнал на выходе блока разности:

2 2 2 2

U = 0и - Uon = Аи Ки Ккв Кфи 0ш1 + (08и

45 Аи Ки Ккв Кфи Аоп Кп Ки Коп Кфи Кфоп 0м "

2 " 0воп). (5)

Из выражения (5) видно, что первое слагаемое пропорционально усредненному квадрату значения собственных шумов ис5р пытуемого сейсмоприемника. Второе слагаемое определяет погрешность измерения шума за счет несбалансированности коэффициентов передачи опорного и испытуемого каналов. Если учесть еще собственные

55 шумы остальных блоков каналов, то погрешность за счет несбалансированности будет еще больше.

Запишем второе слагаемое выражения (5) в виде

1739324

0ви А. К. Ккв Кф. (1— г г г

Aon Kn Кфоп Коп О ври

Аи Ккв Кф К

В известном устройстве балансировку производят по амплитудам гармонических сигналов испытуемого и опорного сейсмоприемников, возбуждаемых вибростендом.

При этом индикатор баланса амплитуд (вольтметр переменного тока) подключают к выходам усилителей опорного и испытуемого каналов, регулируют коэффициент усиления усилителя опорного сейсмоприемника и добиваются равенства амплитуд, которое регистрируется по нулевому показанию индикатора баланса амплитуд. При таком способе балансировки выполняется только условие (7)

Для полной балансировки устройства необходимо выполнить дополнительно условие

Аоп Кп Корон 1 (8)

Аи Ккв Кфн

Невыполнение этого условия приведет к значительной погрешности измерения собственных шумов сейсмоприемника.

Для оценки погрешности измерения примем в качестве избирательного фильтра активный RC-фильтр с коэффициентом пеQ редачи Кф = 2 f R С для которого в

P диапазоне частот 10 — 0,01 Гц величины R u

С имеют значения (1 — 100) мкФ и (1 — 100) мОм. Если принять точность изготовления их равной 1, то погрешность коэффициента передачи фильтра Кф равна 2, Подобные рассуждения можно применить к интегратору и принять погрешность коэффициента его передачи равной 2 ..

В качестве перемножителей можно использовать микросхемы 525ПС1, 525ПС2, для которых погрешность перемножения, коэффициента передачи может быть принята 1%.

Таким образом, результирующая погрешность коэффициента передачи каждого канала Р составит величину P = 2,2%

Результат измерения собственного шума сейсмоприемника получается как разность значений напряжений опорного и измерительного каналов. В этом случае результирующая погрешность измерения )= 0<

В лабораторных условиях промышленного города величина сейсмического фона

U8 может достигать (10 — 50) 0ы, тогда фг 1= (22 — 110), что явно недопустимо, 25 — А1 Аг

«UâòCos (Nt — (p1 — уг )), (9) 30

50

5

Для устранения этой погрешности в предлагаемом способе балансировку предлагается проводить с учетом всех блоков, т.е, выполнить условия (7) и (8) одновременно.

Величина взаимно корреляционной функции двух сигналов зависит от разности фаз между ними.

В известном устройстве балансировку по фазе выполняют по выходным гармоническим сигналам усилителей испытуемого и опорного каналов. С помощью индикатора баланса фаз (двухлучевого осциллографа), путем регулирования фазовращателя добиваются совмещения обоих сигналов. При таком способе балансировки не учитывается дополнительный возможный сдвиг фаз в блоках фильтров.

При возбуждении сейсмоприемников гармоническим воздействием, при условии (0в)т» 0ш1 ЗНаЧЕНИЕ НаПРЯжЕНИЯ На ВЫХОДЕ интегратора опорного канала (взаимнокорреляционная функция) запишется в виде где А1, Аг — коэффициенты передачи испытуемого и опорного каналов, A< = Ки Кфи, г

Аг = Аоп Коп K фоп Kn, р — pz — разность фаз сигналов испытуемого и опорного каналов на входе перемножителя.

Оба сейсмоприемника установлены на столе вибростенда, тогда т = О, и при p< = фг получим

Uon(0) = г

A) Аг 2 В1 0вп — (0on) c — 2 0вт — 2 (10) где B1 = Аоп Ки Коп Кфи Кфоп Кп

Для упрощения принято (0вт)и =(0вт)оп-.

По предлагаемому способу балансировку по фазе осуществляют по максимуму взаимно корреляционной функции. При этом индикатором баланса фаз является измерительный прибор, который через переключатель подключают к выходу интегратора опорного канала, регулируют фазовращатель и регистрируют максимум взаимно корреляционной функции. Такая балансировка значительно проще и дополнительно учитывает сдвиг по фазе в фильтрах, Автокорреляционная функция сигнала . канала испытуемого сейсмоприемника (сигнал на выходе интегратора) запишется в виде

1739324

u — (r) — . cos вт.

i1 Uâò

При т= 0 получим

A1 Usrn

Ои(0) =(0и)макс = 2, (11) где A> = Аи Ки Ккв Кфи .

Сравнивая выражения (10) и (11), при (0и)макс = (Ооп)макс (12) получим B> = А1, Следовательно, при выполнении условия (12) обеспечивается полная балансировка каналов опорного и испытуемого сейсмоприемников, т.е. выполняется условие:

Aon Kn Kon Kon User 1

А. К.. Кф. К. Тг..

По предлагаемому-способу балансировку по амплитуде выполняют путем сравнения среднего квадрата сигнала испытуемого сейсмоприемника и взаимно корреляционной функции сигналов опорного и испытуемого сейсмоприемников по измерительномуу и рибору (вольтметру постоянного тока), который подключен к выходу блока разности. Изменяя коэффициент усиления регулируемого усилителя, добиваются минимума показания прибора, По предлагаемому способу балансировки вместо двух индикаторов баланса фаз и амплитуд используют один измерительный прибор (вольтметр постоянного тока), который подключают к выходу измерителя шума (блоку разности) через переключатель на два положения. Это существенно упрощает процесс балансировки.

На чертеже представлена схема возможного варианта измерителя шума и подключения к нему измерительного прибора, который одновременно используют и для балансировки, На схеме обозначены: задающий блок 1, вибростенд 2, испытуемый 3 и опорный 4 сейсмоприемники, фазовращатель 5, усилители 6, 7, избирательные фильтры 8 и 9, перемножители 10, 11, интеграторы 12 и 13, блок 14 разности, переключатель 15, измерительный прибор 16.

Предлагаемый способ балансировки выгодно отличается от известного тем, что

5 балансировку проводят не по переменному аналоговому сигналу с учетом только коэффициентов преобразования и фазовых сдвигов сейсмоприемников и усилителей, а по среднему значению сигнала и взаимно кор10 реляционной функции сигналов с учетом коэффициентов передачи и фазовых сдвигов всех блоков каналов испытуемого и опорного сейсмоприемников, что значительно уменьшает погрешность измерения собст15 венных шумов и упрощает процесс балансировки, Формула изобретения

20 Способ балансировки корреляционного измерителя шума электрохимических сейсмоприемников, состоящий в том, что предварительную балансировку выполняют по гармоническим сигналам испытуемого и

25 опорного сейсмоприемников, которые возбуждают через вибростенд задающим блоком, регулируют коэффициент усиления перестраиваемого усилителя, затем регулируют фазу сигнала опорного сейсмоприем30 ника, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения собственных шумов и упрощения процесса балансировки, балансировку по фазе производят с помощью измерительного прибора, под35 ключенного к выходу измерительного устройства, по максимуму взаимно корреляционной функции сигналов опорного и испытуемого сейсмоприемников, балансировку по амплитуде выполняют. с

40 помощью того же измерительного прибора, что и балансировку по фазе, подключают его к выходу опорного канала, добиваются минимума разности взаимно корреляционной функции сигналов испытуемого и опорного

45 сейсмоприемников и усредненного квадрата сигнала испытуемого сейсмоприемника, 1739324

Составитель Н.Саламатин

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор C.Øåsêóí

Редактор И.Горная

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ ЮИ Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5