Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Metody zpracování fyzikálních měření - 1 EVF 112 ZS 2007/2008 L.Přech.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Metody zpracování fyzikálních měření - 1 EVF 112 ZS 2007/2008 L.Přech."— Transkript prezentace:

1 Metody zpracování fyzikálních měření - 1 EVF 112 ZS 2007/2008 L.Přech

2 Počítačový sběr experimentálních dat I - osnova Fyzikální experiment a úloha počítače v něm Základní schéma počítačem řízeného experimentu Analogové a digitální zpracování dat Čidla a akční členy Úprava analogového a číslicového signálu, synchronní detekce

3 Model fyzikálního experimentu Stanovujeme závislost veličiny y na veličině x při daném parametru  (např. závislost proudu vzorkem na napětí při určité teplotě) Obvykle opakovaná měření pro diskrétní hodnoty x i  j, určování střední hodnoty a odhad chyby x,  nastavované nebo implicitně závislé na čase x(t)  (t)

4 Počítač jako automatické registrační zařízení Ruční nastavení x,  resp. x(t)  (t) Automatický zápis hodnot  (t) y(t) Vyhodnocení a zpracování často až po ukončení zápisu Využíváme rychlost registračního systému!

5 Počítačově řízený experiment Automatické nastavení x,  resp. x(t)  (t) –volně dle programu – automatické měření –s cílem stabilizovat nebo řídit y nebo  - regulace Automatický zápis hodnot  (t) y(t) Vyhodnocení a zpracování obvykle během měření

6 Základní schéma systému sběru dat a řízení experimentu Počítač Sběr dat, řízení výstupů Úprava signálů Akční členy Čidla Fyzikální veličiny

7 Elektrické povahy –napětí –proud –odpor, vodivost, indukčnost, kapacita –kmitočet, fáze –perioda, střída –impulzy, události Spojité nebo diskrétní (v hodnotě nebo čase) Neelektrické –teplota –poloha a pohyb, zrychlení –vlhkost, tlak –osvětlení –hmotnost –chemické složení –…. Veličina vyjádřena časovým průběhem signálu - elektrické veličiny

8 Převod elektrických veličin na neelektrické a zpět Akční členy –topné elementy –zdroje světla –ventily –motory –elmg. cívky –…. Čidla –termočlánky, termistory –fotodiody –průtokoměry, vakuometry –snímače polohy a pohybu, tenzometry a akcelerometry –Hallovy sondy –vlhkoměry –detektory částic –....

9 Spojitý vs. digitální svět - číslicový počítač – pracuje s diskrétní informací Digitální signály Přímé měření/řízení –digitální vstupy/výstupy (logické signály) –čas – frekvence, perioda, délka pulsu, střída signálu, fáze Analogové signály Přímé, převod A/D a D/A –napětí (proud) Nepřímé – mezipřevod na časové veličiny nebo napětí/proud –často pro ostatní elektrické veličiny: odpor/vodivost, kapacita, indukčnost

10 Rozdělení převodníků neelektrických veličin Přímý převod energie neelektrické veličiny – vlastní zdroj elektromotorické síly –elektromagnetické, termoelektrické, fotoelektrické, piezoelektrické, Hallův jev, … Pasivní převodníky – potřebují vnější elektrický zdroj –využívají závislost elektrické vlastnosti čidla na měřené veličině – magnetorezistivita, elektrický odpor na teplotě, indučnost na poloze jádra, … Zpětnovazební pasivní převodníky – zpětná vazba udržuje rovnováhu mezi měřenou veličinou a protipůsobícím elektrickým signálem

11 Příklad - termočlánek Přímý převod energie –termoelektrická napětí U o = U 1 (T ref )+ U 2 (T) – U 3 (T ref ) T ref T U1U1 U3U3 U2U2 UoUo Citlivost 7 – 50  V/°C Rozsah voltmetru Zesílení vst. zesilovače Rozlišení v bitech známe

12 Příklad - pasivní převodníky Převodník polohy (úhlu): –Posuv jezdce -> proměnný odpor -> napětí Drátkový termoanemometr: –Rychlost proudění -> míra ochlazování -> teplota -> odpor -> napětí Wheatstonův můstek

13 RTD - odporové teploměry (např. Pt) Malý odpor, typ. 100  Malá citlivost ~0.4  /°C 2-drátové měření – málo vhodné – úbytek napětí na přívodech 4-drátové zapojení – lepší, na měřicích přívodech pro napětí minimální úbytek 3-drátové zapojení – vhodné pro můstky (Wheatstonův )

14 Můstkové zapojení – RTD, tenzometry 3-drátové zapojení RTD ve Wheatstonově můstku – protilehlé větve R G1, R G2 kompenzují odpor přívodů Tenzometry v můstku – poloviční nebo úplný můstek – zvýšení citlivosti měření Použití tenzometrů: –jejich odpor závisí na mechanickém napětí –použití též jako převodníky jiné síly – zrychlení, tlak, vibrace

15 Příklad – čidlo se zpětnou vazbou Drátkový termoanemometr: –zpětná vazba udržuje můstek vyvážený -> stabilizace odporu (teploty) sondy (výstupní napětí) 2 ~ teplo ztrácené na sondě ~ rychlost proudění

16 Další příklady LVDT (lineární napěťový diferenciální transformátor) Měření lineárního posunu – rozdílná vazba do sekundárního vinutí L a P Čidla s interním převodem na proudovou smyčku 0-20 nebo 4-20 mA ISIS X 4 20

17 Porovnání některých čidel ČidloElektrické vlastnostiPožadavky na úpravu signálu termočlánek Malé výstupní napětí, nízká citlivost, nelineární výstup Referenční teplotní čidlo pro kompenzaci studeného konce, velké zesílení, linearizace odporový teploměr Malý odpor (typ. 100  ), nízká citlivost, nelineární výstup Proudové buzení, 3-, 4-drátové zapojení, linearizace integrované teplotní čidlo Vysokoúrovňový výstup (~V), linearitaZdroj napájení, malé zesílení tenzometr Malý odpor, nízká citlivost, nelineární výstup Napěťové n. proudové buzení, vysoké zesílení, můstkové zapojení, linearizace, kalibrace bočníků čidlo s proudovým výstupem Proudová smyčka (4 – 20 mA typ.)Přesný rezistor termistor Odporové čidlo, vysoký odpor a citlivost, velmi nelineární Napěťové n. prodouvé buzení s referenčním rezistorem, linearizace aktivní akcelerometrVysokoúrovňový výstup (~V), linearitaZdroj napájení, malé zesílení Kapacitní manometrKapacita závislá na tlaku (malé hodnoty) Buzení střídavým proudem, můstkové zapojení nebo oscilátor LVDT Střídavé napětíBuzení střídavým proudem, demodulace, linearizace

18 Obecné funkce obvodů pro úpravu signálu Zesílení analogových signálů –Změny vst. signálu vhodně pokrývají rozsah ADC – zvětšení rozlišení, citlivosti, zvýšení poměru S/N Útlum –Úprava velikosti velkých signálů (vysoké napětí...) Filtrace –Snížení šumu v určité části spektra (např. 50, 60 Hz) –Zabránění aliasingu (Nyquistův teorém) Izolace (optická, transformátory) –Přerušení zemních smyček, snížení šumu, zabránění poškození zařízení, oddělení obvodů s nebezpečným napětím Multiplex –Přepínání ADC mezi více kanály, volba způsobu připojení signálu Současné vzorkování více kanálů Buzení snímačů, můstková zapojení, 3- a 4- drátová měření Kompenzace studeného konce termočlánku

19 Další funkce – synchronní detekce Synchronní detekce je technika zpracování signálu, která: umožňuje separovat i velmi slabý signál v silném šumu - např.: –příjem signálů v radiotechnice –zpracování signálu se silným rušením vyžaduje referenční signál s přesně danou frekvencí a fází Výstupní signál Synchronní detektor - harmonický nebo obdélníkový signál budí fyzikální proces moduluje měřenou veličinu

20 Počítačový sběr experimentálních dat II - osnova Převod analogového signálu na diskrétní a zpět Vzorkování signálu, Nyquistův teorém a aliasing

21 Číslicové zpracování signálu Digitalizace – 3 fáze –Vzorkování vzorkovací obvod –Kvantování vlastní A/D převodník –Kódování

22 Vzorkovací obvod

23 Charakteristiky vzorkovacího obvodu

24 Obsahuje-li frekvenční spektrum signálu složky s frekvencí větší než Nyquistova frekv. (f N =f V /2), neurčuje výstupní signál vzorkovacího obvodu jednoznačně průběh signálu na vstupu:

25

26 Aliasing

27 Charakteristiky A/D převodníku Počet kanálů, způsob připojení zdroje signálu Vzorkovací rychlost Délka vzorku Možnost multiplexování Rozlišení <- počet bitů Rozsah Šířka kódu <- zisk, rozsah, rozlišení Diferenciální a integrální nelinearita, chybějící kódy, relativní chyba, offset, čas ustavení vstupního zesilovače, vlastní šum převodníku, ENOB – efektivní rozlišení v bitech V 16bitů 3bity

28 Kvantování

29 Kvantování, kvantovací chyba Přenosová funkce A/D převodníku Kvantovací chyba

30 Dithering Zvýšení amplitudového rozlišení přidáním malého šumu do analogového signálu před digitalizací a následným průměrováním

31 Relativní chyba, offset, INL, DNL Ideální charakteristikaSkutečná charakt.Integrální nelinearitaDiferenciální nelinearita Offset

32 Vliv nelinearit na přenosovou charakteristiku A/D a D/A převodníku

33 Charakteristiky D/A převodu Rozsah Čas ustavení výstupu Výstupní rozlišení Rychlost přeběhu Typ reference – pevná reference x násobící D/A Diferenciální a integrální nelinearita, chybějící kódy, relativní chyba, offset, vlastní šum převodníku, ENOB – efektivní rozlišení v bitech

34 Počítačový sběr experimentálních dat III Příklady D/A a A/D převodníků Logické signály Chyby v časování logických signálů Měření času a frekvence –nepřímé a přímé metody

35 Příklady D/A převodníků Sumační DAC DAC s žebříčkem R – 2R DAC s řetízkem R

36 Příklady A/D převodníků ADC s dvojitou integrací ADC s postupnou aproximací (metoda vážení) obecný ADC s DAC a logikou V in = V ref * N / M Pipeline

37 Definice logických signálů

38 Definice logických úrovní H L Vmin Vmax V IL V IH V OL V OH

39 Logické signály - časování Logické úrovně Časování Hodinový signál Aktivní hrana Setup a hold interval f = 1/t p

40 Chyby hodinových signálů Jitter Drift Hodinové signály na přijímací a vysílací straně Vysílač Přijímač Data Hodiny

41 Chyby hodinových signálů Jitter Drift Hodinové signály na přijímací a vysílací straně Vysílač Přijímač Data Hodiny_B Hodiny_A

42 Nepřímé – čas (periodu, délku pulzu) nebo frekvenci vstupního signálu převedeme vhodným obvodem na analogový signál a A/D převodníkem určíme jeho amplitudu, např.: –měření délky velmi krátkých pulzů (< s) – napětí (náboj) na kondenzátoru je úměrný době otevření spínače SW1 (délce řídícího pulzu) Měření času a frekvence V O = I / C *  t

43 Měření času a frekvence Nepřímé – čas (perioda, délka pulzu) nebo frekvenci vstupního signálu převedeme vhodným obvodem na analogový signál a A/D převodníkem určíme jeho amplitudu, např.: –Měření frekvence pulzů pevné délky – amplituda výstupního signál V O je úměrná frekvenci signálu řídícího spínač SW1 V O = * V ref

44 Čítače (pulzně-šířková modulace) (čidla kódující polohu)

45 Měření času, frekvence Přímé měření času – s použitím čítače a zdroje referenčního kmitočtu F = 1 / T  t = N / F, přesnost N je  1 t.j.  t = 2 T Možná zpřesnění: - interpolace uvnitř periody T - systém nonia (2 málo odlišné nesoudělné frekvence, dva čítače) měřený interval  t načítáno N pulzů

46 Měření času, frekvence Přímé měření frekvence – s použitím čítače a zdroje referenčního kmitočtu F = 1 / T, vstupní pulsy neznámé frekvence čítáme po definovanou dobu T m = m*T, f = N / T m = N*F/m, přesnost závisí na stabilitě F a četnosti N (< 2 n, n.. bitová šířka čítače ) Možná zpřesnění – prodloužení T m a zvýšení bitové šířky čítače - u velmi malých frekvencí je lépe měřit periodu interval čítání T m načítáno N pulzů vstupní pulzy frekvence f

47 Měření času, frekvence Přímé měření frekvence – zpřesnění s použitím čítače a zdroje referenčního kmitočtu F = 1 / T, vstupní pulsy čítáme během intervalu T x synchronizovaného se vstupními pulsy do načtení N hodinových pulsů, platí f = N / T x f = N*F/ (m  1) Skutečný interval čítání T x = (m  1)*T načítáno N pulzů vstupní pulsy frekvence f Nominální interval čítání T m = m*T

48 konec


Stáhnout ppt "Metody zpracování fyzikálních měření - 1 EVF 112 ZS 2007/2008 L.Přech."

Podobné prezentace


Reklamy Google