Главная Контакты Добавить в избранное Авторы Вопросы и ответы
,

УДК 621.317+681.518

Формирование зондирующих импульсов
для полиметрических измерительных систем

Гордеев Б.Н., Зивенко А.В., Наконечный А.Г.

Постановка проблемы. Полиметрические измерения базируются на контактном зондировании контролируемых сред (объектов) короткими   электромагнитными импульсами и анализе отраженных сигналов во временной и частотной областях. Точность оценки количественных и качественных характеристик  этих сред в значительной степени зависит от длительности зондирующего импульса. Повышение точности полиметрических измерений может быть достигнуто укорочением длительности зондирующих импульсов и соответственно расширению их частотного спектра [1].

Анализ последних исследований и публикаций. Для получения коротких зондирующих импульсов применяют различные полупроводниковые приборы, работающие в режиме переключения с положительной обратной связью. Однако большинство переключателей с положительной обратной связью по току (лавинные транзисторы, тиристоры, динисторы и др.)  чувствительны к эффектам локализации тока [2]. Токовая неустойчивость отсутствует в переключателях, коммутационные процессы в которых происходят за одно пролетное время носителей через базовую область. Этому классу переключателей принадлежат диоды с накоплением заряда – ДНЗ (SRD) [3]. Существующие ДНЗ позволяют получать импульсы длительностью порядка 1 Нс (по основанию импульса). Однако получение более коротких импульсов затруднительно для работы в сложных условиях эксплуатации (температура, влажность, давление окружающей среды), что  ограничивает  их применение в полиметрических измерительных системах.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. Формирование электромагнитных импульсов малой длительности без увеличения потребления электроэнергии на основе схемных решений  и использовании отечественных ДНЗ, ориентированных на  работу в промышленных условиях представляет собой достаточно сложную и нерешенную до конца задачу.

Цель работы. Укорочение зондирующего импульса с минимальными затратами энергии и минимальными схемными решениями, на основе  доступной элементной базы, способной работать в сложных климатических условиях, для повышения точности полиметрических измерений.

Изложение основного материала.  Используемые  способы   формирования электромагнитных  импульсов обеспечивают получение зондирующего  импульса для полиметрических измерений   длительностью порядка 1 Нс.

Ширина спектра  импульса в простейшем приближении определяется его длительностью и  будет определяться выражением (1):

(1)

где:  – длительность импульса.

При , полоса частот его спектра составляет величину прядка 1 ГГц, а линейный  интервал, занимаемый импульсом – О.3 м. Уменьшение длительности зондирующего импульса до 0.5 Нс позволить расширить ширину спектра до 2 ГГц, и уменьшить линейный интервал занимаемый зондирующим импульсом до 0.15 м, что позволит повысить точность измерений количественных и качественных характеристик жидких сред [5].

Существующие схемы формирования коротких импульсов   двухступенчатые – вначале формируется предварительный запускающий импульс,  который далее поступает на конечную ступень, где окончательно формируется зондирующий импульс.

На рис. 1 представлена схема формирования предварительного импульса запуска, которая преобразует входной меандр в импульсы отрицательной полярности с фронтом порядка 3 нс и амплитудой  7,8 В.

Рис. 1 Предварительный формирователь импульса запуска

На рис. 2 приведен сигнал на выходе схемы предварительного формирователя (на рис.2,4,6,7 приведены осциллограммы, полученные на реальных действующих объектах). 

Рис. 2 Осциллограмма импульса предварительного запуска

Далее запускающий импульс со схемы предварительного формирователя поступает на оконечную схему генератора зондирующих  импульсов (рис. 3).

Рис. 3 Схема генератора наносекундных импульсов

Работа схемы оконечного каскада заключается в следующем: диод VD1 обостряет передний фронт, а VD2 формирует задний фронт импульса. Эти диоды  работают в режиме накопления заряда [2,4]. В исходном состоянии от источника напряжения 12 В через диод VD1 проходит ток, величина которого устанавливается резистором R2. В базе диода накапливается заряд неосновных (неравновесных) носителей, величина которого тем больше, чем больше сила тока и эффективное время жизни носителей. В используемых диодах это время составляет примерно 60 нс. В момент, когда на диод поступает запирающий импульс, в цепи диода возникает обратный ток, продолжительностью зависящей от величины накопленного заряда и обратного тока, которым рассасывается заряд. Напряжение на диоде при этом меняется незначительно и практически близко к нулю. Этот этап переходного процесса при запирании диода называется фазой постоянного обратного тока. Во время этой фазы диод как бы шунтирует источник импульса, и напряжение на выходе схемы отсутствует. Затем за счет резкого уменьшения обратного тока напряжение на диоде быстро возрастает, диод запирается. Продолжительность этого этапа называется фазой спада тока. Из этого перепада напряжения формируется передний фронт импульса.

Обостренный импульс напряжения с фронтом около 700 пс и амплитудой   8 В показан на рис. 4.

 

Рис. 4 Осциллограмма импульса напряжения с обостренным передним фронтом

Для укорочения длительности переднего фронта предлагается  способ, не повышающий потребление электроэнергии  по сравнению с существующими схемами и требующий  использование минимального количества дополнительных аппаратных средств. Такое решение может быть получено   благодаря внесению  дополнительного каскада, не потребляющего электроэнергии в статическом режиме, а непосредственно только при генерации импульса.

Схема генератора с дополнительным формирователем на диоде VD2 показана на рис. 5.

 

Рис. 5 Схема генератора наносекундных импульсов с дополнительным каскадом

Обостренный импульс напряжения с диода VD1 через конденсатор C1 поступает на второй обостряющий диод VD2. Прямой ток, устанавливаемый резистором R3, выбран несколько меньшим, чем через диод VD1, так как фронт импульса, поступающего на диод, достаточно короткий. Диод VD2 обостряет фронт до 400 пс (рис. 6).

Далее импульс через конденсатор C2 поступает на диод VD3, который включен последовательно и служит для формирования заднего фронта импульса. Постоянный прямой ток поступает на диод от внешнего источника через резистор R4.  Подбирается он таким образом, что бы добиться как можно меньшей длительности без уменьшения амплитуды. Осциллограмма импульса амплитудой 0,65 В и длительностью 1 нс показана на рис. 7.

Рис.6 Осциллограмма зондирующего  импульса напряжения после дополнительного каскада

Рис. 7 Осциллограмма зондирующего импульса

Выводы.  За счет схемного решения с использованием дополнительного каскада на базе ДНЗ удается  сократить длительность зондирующего импульса на 60%. Использование подобного способа обострения импульсов не приводит к увеличению потребления энергии генератором зондирующих импульсов. 3.Разработанные  схемные решения  обострения отличаются простотой и  обеспечивают  надежную эксплуатацию генераторов зондирующих импульсов в промышленных условиях, в температурном диапазоне  30..+85 °С.

Литература

1.                  Глебович Г.В., Андриянов А.В., Введенский Ю.В. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов // Под ред. Г.В. Глебовича. – М.: Радио и связь, 1984. – 256 с.

2.                  Еремин С.А., Мокеев О.К., Носов Ю.Р. Полупроводниковые диоды с накоплением заряда М.: Сов. радио, 1966.142 с.

3.                  Pavel PROTIVA, Jan MRKVICA, Jan MACHÁČ   Universal Generator of Ultra-Wideband Pulses // Radioengineering, 2008, Vol. 17, №2, pp. 74-78.

4.                  Гордеев Б.Н. Оперативный контроль количественных и качественных характеристик углеводородных топлив // Наукові праці: Науково-методичний журнал. ­– Т. 77, вип. 64. – Миколаїв: Вид-во МДТУ iм. Петра Могили, 2008. – С. 32–37.

 





Ответы на вопросы [_Задать вопроос_]

Информационно-измерительные системы

Ковальов О.І. Вимірювання у процесно-орієнтованих стандартах

Полякова М.В., Ищенко А.В., Худайбердин Э.И. Порогово-пространственная сегментация цветных текстурированных изображений на основе метода JSEG

Дзюбаненко А. В. Организация компьютерных систем для анализа изображений

Богданов А.В., Бень А.П., Хойна С.И. Релаксация обратного тока диодов Шоттки после их магнитно-импульсной обработки (МИО)

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Проектирование измерителя добротности варикапов

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Оптимизированная модель измерителя доб-ротности варикапов

Руднєва М.С., Кочеткова О.В., Задорожній Р.О. Принципи побудови оптимальної структури інформаційно-вимірювальної системи геометричних розмірів об’єктів в діапазоні від 1 нм до 1000 нм

Биленко М.С., Рожков С.А., Единович М.Б. Идентификация деформаций пе-риодических структур с использованием систем технического зрения

Рашкевич Ю.М., Ковальчук А.М., Пелешко Д.Д. Афінні перетворення в модифікаціях алгоритму RSA шифрування зображень

Дидык А.А., Фефелов А.А, Литвиненко В.И., Шкурдода С.В., Синяков Ф. В. Классификация масс-спектров с помощью кооперативного иммунного алгоритма

Клименко А.K. Обратная модель для решения задач в системах с многосвязными динамическими объектами

Завгородній А.Б. Порівняльне дослідження твердотільних і рідиннофазних об'єктів методом газорозрядної візуалізації

Голощапов С.С., Петровский А.В., Рожко Ж.А., Боярчук А.И. Измерение доб-ротности колебательного контура на основе метода биения частот

Кириллов О.Л., Якимчук Г.С. Диагностирование критерия безопасности при заполнении замкнутых объемов СПЖ косвенным методом

Долина В.Г. Проблеми підвищення точності рефрактометра на основі прозорих порожнистих циліндрів.

Самков О.В., Захарченко Ю.А. Застосування алгоритму клонального відбору для побудови планів модернізації авіаційної техніки

Попов Д.В. Метод формування регламентів технічного обслуговування повітряних суден

Казак В.М., Чорний Г.П., Чорний Т.Г. Оцінювання готовності технічних об’єктів з урахуванням достовірності їх контролю

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Технические аспекты проектирования цифрового измерителя добротности варикапов

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Технические аспекты проектирования устройства для разбраковки варикапов по емкостным параметрaм и добротности

Сосюк А.В. Інтелектуальний автоматизований контроль знань в системах дистанційного навчання

Соколов А.Є. Деякі аспекти систезу комп’ютеризованої адаптивної системи навчання

Полякова М.В., Волкова Н.П., Іванова О.В. Сегментація зображень стохастичних текстур амплітудно-детекторним методом у просторі вейвлет-перетворення

Луцкий М.Г., Пономаренко А.В., Филоненко С.Ф. Обработка сигналов акустической эмиссии при определении положения сквозных дефектов

Литвиненко В.И., Дидык А.А., Захарченко Ю.А. Компьютерная система для решения задач классификации на основе модифицированных иммунных алгоритмов

Лубяный В.З., Голощапов С.С. Прямоотсчетные измерители расхождений емкостей

Беляев А.В. Построение навигации для иерархических структур в WEB-системах и системах управления WEB-сайтом

Терновая Т.И., Сумская О.П., Слободянюк И.И., Булка Т.И. Контроль качества тканей специального назначения с помощью автоматических систем.

Шеховцов А.В. Інформаційний аспект: розпізнавання образів індивідуума.

Полякова М.В. Определение границ сегмента упорядоченной текстуры на изображении с однородным фоном с помощью многоканального обнаружения пачки импульсов.

Литвиненко В.И. Прогнозирования нестационарных временных рядов с помощью синтезируемых нечетких нейронных сетей

Ковриго Ю.М., Мисак В.Ф., Мовчан А.П., Любицький С.В. Автоматизована система діагностики генераторів електростанцій

Браїловський В.В., Іванчук М.М., Ватаманюк П.П., Танасюк В.С. Керований детектор імпульсного ЯКР спектрометра

Забытовская О.И. Построение функции полезности по экспериментальным данным.

Шиманські З. Апаратні засоби сегментації мовного сигналу

Хобин В.А., Титлова О.А. К вопросу измерения парожидкостного фронта в дефлегматоре абсорбционно-диффузионной холодильной машины (АДХМ)

Фефелов А. А. Использование байесовских сетей для решения задачи поиска места и типа отказа сложной технической системы

Слань Ю. М., Трегуб В. Г. Оперативна нейромережна ідентифікація складних об’єктів керування

Ролик А.И. Модель управления перераспределением ресурсов информационно-телекоммуникационной системы при изменении значимости бизнес-процессов

Кириллов О.Л., Якимчук Г.С., Якимчук С.Г. Изучение электрического поля с помощью датчика измерителя электростатического потенциала на модели замкнутого металлического объема

Грицик В.В. Застосування штучних нейронних мереж при проектуванні комп’ютерного зору.

Гасанов А.С. Информационные технологии построения систем прогнозирования отказов

Шеховцов А.В., Везумский А.К., Середа Е.С. Алгоритм сжатия информации без потерь: модифицированный алгоритм LZ77

Ходаков В.Е., Жарикова М.В., Ляшенко Е.Н. Методы и алгоритмы визуализации пространственных данных на примере моделирования распространения лесных пожаров.

Полякова М.В., Крылов В.Н. Обобщённые масштабные функции с компактным носителем в задаче сегментации изображений упорядоченных текстур. – C. 75 – 84.

Полторак В.П., Дорогой Я.Ю. Система распознавания образов на базе нечеткого нейронного классификатора.

Литвиненко В.И. Синтез радиально-базисных сетей для решения задачи дистанционного определения концентрации хлорофилла.

Бражник Д.А. Управление совмещением изображения объекта в сцене и эталонного изображения.

Бабак В.П., Пономаренко А.В. Локализация места положения сквозных дефектов по сигналам акустической эмиссии.

Мороз В. В. R-D проблема и эффективность систем сжатия изображений.

Крылов В.Н., Полякова М.В., Волкова Н.П. Контурная сегментация в пространстве гиперболического вейвлет-преобразования с использованием математической морфологии.

Квасников В.П., Баранов А.Г. Анализ влияния дестабилизирующих факторов на работу биканальной координатно-измерительной машины.

Казак В.М., Гальченко С.М., Завгородній С.О. Аналіз можливості застосування імовірнісних методів розпізнавання для виявлення пошкоджень зовнішнього обводу літака.

Тищенко И.А., Лубяный В.З. Управление коммутационными процессами в интегрированных сетях связи.

Корниенко-Мифтахова И.К.,Филоненко С.Ф. Информационно-измерительная система для анализа характеристик динамического поведения конструкций.

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Модель измерителя емкости с линейной шкалой измерений.

Полякова М.В., Крылов В.Н. Мультифрактальный метод автоматизированного распознавания помех на изображении.

Рожков С.О., Федотова О.М. Алгоритм розпізнавання дефектів тканин для автоматичної системи контролю якості.

Бражник Д.А. Использование проективного преобразования для автоматизации обнаружения объектов.

Ходаков В.Є., Шеховцов А.В., Бараненко Р.В. Математичні аспекти створення автоматизованої системи „Реєстр виборців України”