RU2536833C2 - Method to measure resonant frequency - Google Patents

Method to measure resonant frequency Download PDF

Info

Publication number
RU2536833C2
RU2536833C2 RU2012155959/28A RU2012155959A RU2536833C2 RU 2536833 C2 RU2536833 C2 RU 2536833C2 RU 2012155959/28 A RU2012155959/28 A RU 2012155959/28A RU 2012155959 A RU2012155959 A RU 2012155959A RU 2536833 C2 RU2536833 C2 RU 2536833C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonator
frequency
resonant frequency
frequencies
amplitude
Prior art date
Application number
RU2012155959/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012155959A (en
Inventor
Александр Васильевич Иванов
Борис Васильевич Лункин
Валерий Яковлевич Фатеев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority to RU2012155959/28A priority Critical patent/RU2536833C2/en
Publication of RU2012155959A publication Critical patent/RU2012155959A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2536833C2 publication Critical patent/RU2536833C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and is designed for the high-precision detection of a resonant frequency using digital methods of signal processing, and also to detect values, which are functionally connected to the resonant frequency of resonators included within radio frequency sensors and used in various fields of engineering and scientific research. The method to measure the resonant frequency is based on serial excitation of various frequencies in a resonator from the specified set and fixation of these frequencies and their appropriate values of the resonator output signal amplitude. Besides, for each of the excitation frequencies they fix amplitude of the output signal after attenuation of a transition process in a resonator, approximate the obtained discrete dependence of the amplitude on the frequency with a continuous function and the resonant frequency of the resonator is determined by the maximum of this function.
EFFECT: reduced error of measurement specified by discreteness of frequencies of the resonator excitation and impact of transition processes in this resonator, as well as availability of noise in the output signal of the resonator.
4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения резонансной частоты электромагнитных резонаторов, а также величин, которые функционально связаны с резонансной частотой резонаторов, входящих в состав радиочастотных датчиков и применяемых в различных областях техники и научных исследованиях. В частности оно может быть использовано в радиочастотных резонансных датчиках влагосодержания нефтепродуктов, концентрации растворов и резонансных уровнемерах различных сред.The invention relates to measuring technique and can be used for high-precision determination of the resonant frequency of electromagnetic resonators, as well as quantities that are functionally related to the resonant frequency of the resonators that are part of radio frequency sensors and are used in various fields of technology and scientific research. In particular, it can be used in radio-frequency resonance sensors for the moisture content of oil products, concentration of solutions and resonant level gauges of various media.

Известны различные способы измерения резонансной частоты. Широкое применение получил способ, реализованный в устройстве (SU 1758510 А1, 30.08.1992), которое выполнено на базе экстремального регулятора. В этом устройстве высокочастотный генератор, управляемый напряжением (ГУН), автоматически настраивается на резонансную частоту радиочастотного датчика и отслеживает все ее изменения. При этом частота высокочастотного генератора осциллирует около максимума амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) этого датчика и усредненное значение этой частоты считается резонансной частотой этого датчика. Указанный способ имеет следующие недостатки:Various methods for measuring a resonant frequency are known. The method implemented in the device (SU 1758510 A1, 08/30/1992), which is based on an extreme controller, was widely used. In this device, a voltage-controlled high-frequency generator (VCO) is automatically tuned to the resonant frequency of the radio frequency sensor and monitors all its changes. In this case, the frequency of the high-frequency generator oscillates around the maximum amplitude-frequency characteristic (AFC) of this sensor and the average value of this frequency is considered the resonant frequency of this sensor. The specified method has the following disadvantages:

1) АЧХ резонатора должна быть только с одним максимумом, так как при наличии других локальных максимумов возможно ложное срабатывание и захват локального максимума вместо основного;1) The frequency response of the resonator should be with only one maximum, since in the presence of other local maxima, false response and capture of a local maximum are possible instead of the main one;

2) поскольку резонансная частота определяется как среднее значение осциллирующей частоты ГУН, то для получения точного значения резонансной частоты необходимо измерять частоту ГУН в течение длительного времени;2) since the resonant frequency is determined as the average value of the oscillating frequency of the VCO, to obtain the exact value of the resonant frequency, it is necessary to measure the frequency of the VCO for a long time;

3) при измерении резонансной частоты с использованием перестраиваемых генераторов на выходе резонатора наблюдается динамическая резонансная кривая, максимум которой сдвинут относительно максимума статической резонансной кривой, что приводит к дополнительной погрешности измерения резонансной частоты. Этот сдвиг объясняется наличием переходного процесса в резонаторе при перестройке частоты возбуждения и величина этого сдвига s определяется по формуле (Харкевич А. А. Спектры и анализ. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы. 1957)3) when measuring the resonant frequency using tunable generators, a dynamic resonance curve is observed at the resonator output, the maximum of which is shifted relative to the maximum of the static resonance curve, which leads to an additional error in the measurement of the resonance frequency. This shift is explained by the presence of a transition process in the resonator during the tuning of the excitation frequency, and the magnitude of this shift s is determined by the formula (Kharkevich A. A. Spectra and analysis. M: State publishing house of technical and theoretical literature. 1957)

s = 8 λ / ( ω r 2 d 2 )

Figure 00000001
, s = 8 λ / ( ω r 2 d 2 )
Figure 00000001
,

где λ - скорость изменения частоты генератора;where λ is the rate of change of the frequency of the generator;

ωr - резонансная частота;ω r is the resonant frequency;

d - затухание резонатора.d is the attenuation of the resonator.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ измерения резонансной частоты, описанный в устройстве (RU 2427805 С1, 27.08.2011) и принятый в качестве прототипа. Согласно этому способу с помощью синтезатора частоты, управляемого микропроцессором, в резонаторе (радиочастотном датчике) последовательно возбуждают колебания различных частот из заданного диапазона. На выходе резонатора амплитуда этих колебаний преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и затем эта амплитуда и соответствующая ей частота фиксируются с помощью микропроцессора. После этого микропроцессор определяет максимум напряжения на выходе резонатора и соответствующую этому максимуму частоту, которую принимают равной резонансной частоте.Closest to the proposed method in technical essence is the method of measuring the resonant frequency described in the device (RU 2427805 C1, 08.27.2011) and adopted as a prototype. According to this method, using a frequency synthesizer controlled by a microprocessor, oscillations of various frequencies from a given range are sequentially excited in a resonator (radio frequency sensor). At the resonator output, the amplitude of these oscillations is converted into digital form using an analog-to-digital converter (ADC), and then this amplitude and its corresponding frequency are recorded using a microprocessor. After that, the microprocessor determines the maximum voltage at the resonator output and the frequency corresponding to this maximum, which is taken equal to the resonant frequency.

Недостатком способа-прототипа, реализованного в указанном устройстве, является наличие существенной погрешности измерения резонансной частоты, обусловленной как дискретностью перестройки частоты синтезатора, так и влиянием помех, вызванных переходными процессами при возбуждении резонатора серией радиоимпульсов, каковыми, по сути, являются сигналы на выходе синтезатора.The disadvantage of the prototype method implemented in the specified device is the presence of a significant error in the measurement of the resonant frequency, due to both the discrete frequency tuning of the synthesizer and the influence of interference caused by transients when the resonator is excited by a series of radio pulses, which, in essence, are the signals at the output of the synthesizer.

В результате этого на огибающую сигнала на выходе резонатора накладываются колебания с частотой Ω, являющиеся результатом сложения затухающих собственных колебаний резонатора с частотой ω0 и колебаний синтезатора с частотой ωi.As a result of this, oscillations with a frequency Ω are superimposed on the envelope of the signal at the resonator output, which are the result of adding damped natural oscillations of the resonator with frequency ω 0 and oscillations of the synthesizer with frequency ω i .

Ω = | ω 0 ω i | . ( 1 )

Figure 00000002
Ω = | | | ω 0 - ω i | | | . ( one )
Figure 00000002

Эти колебания искажают форму получаемой таким способом АЧХ, и поэтому максимум этой АЧХ не соответствует резонансной частоте.These oscillations distort the shape of the frequency response obtained in this way, and therefore the maximum of this frequency response does not correspond to the resonant frequency.

Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала технических средств.The objective of the present invention is to expand the arsenal of technical means.

Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерения резонансной частоты, обусловленной дискретностью частот возбуждения и влиянием переходных процессов и случайных помех, а также уменьшение времени измерения указанной резонансной частоты без ухудшения точности измерения.The technical result of the invention is to reduce the measurement error of the resonant frequency due to the discreteness of the excitation frequencies and the influence of transients and random noise, as well as reducing the measurement time of the specified resonant frequency without compromising the accuracy of the measurement.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый способ измерения резонансной частоты, основанный на последовательном возбуждении в резонаторе колебаний различных частот из заданного набора и фиксирования этих частот и соответствующих им значений амплитуды выходного сигнала резонатора, отличается тем, что для каждой из частот возбуждения фиксируют амплитуду выходного сигнала после затухания переходного процесса в резонаторе, аппроксимируют полученную дискретную зависимость амплитуды от частоты непрерывной функцией и резонансную частоту резонатора определяют по максимуму этой функции.The technical result is achieved in that the proposed method for measuring the resonant frequency, based on the sequential excitation in the resonator of oscillations of various frequencies from a given set and fixing these frequencies and the corresponding values of the amplitude of the output signal of the resonator, differs in that for each of the excitation frequencies the amplitude of the output signal is fixed after the transient attenuation in the resonator, the obtained discrete dependence of the amplitude on the frequency is approximated by a continuous function and ansnuyu resonator frequency is determined by the maximum of this function.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими рисунками.The invention is illustrated by the following figures.

Фиг.1 - вид сигналов в характерных точках схемы, реализующей предлагаемый способ, где 1 - зависимость частоты выходного сигнала синтезатора ωi от времени t (фиг.1а); 2 - сигнал на выходе детектора, получаемый при дискретном изменении частоты возбуждения (дискретная АЧХ); 3 - график функции, аппроксимирующей полученную дискретную АЧХ резонатора (фиг.1б).Figure 1 - view of the signals at the characteristic points of the circuit that implements the proposed method, where 1 is the dependence of the frequency of the output signal of the synthesizer ω i on time t (figa); 2 - signal at the output of the detector, obtained with a discrete change in the excitation frequency (discrete frequency response); 3 is a graph of a function approximating the obtained discrete frequency response of the resonator (Fig. 1b).

Фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где 4 - цифровой сигнальный процессор (ЦСП), 5 - синтезатор частоты, 6 - фильтр низких частот (ФНЧ), 7 - резонатор, 8 - детектор, 9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП).Figure 2 - structural diagram of a device that implements the proposed method, where 4 is a digital signal processor (DSP), 5 is a frequency synthesizer, 6 is a low-pass filter (LPF), 7 is a resonator, 8 is a detector, 9 is an analog-to-digital converter (ADC).

Фиг.3 - экспериментальные кривые зависимости погрешности определения резонансной частоты от относительного диапазона частот, в котором производится аппроксимация, для различных способов определения резонансной частоты (кривые 10 - аппроксимация дискретной АЧХ полиномом 4-ой степени и определение резонансной частоты по максимуму полинома и кривые 11 - определение резонансной частоты непосредственно по максимуму дискретной АЧХ) и для различных значений отношения сигнал/шум N.Figure 3 - experimental curves of the dependence of the error in determining the resonant frequency on the relative frequency range in which the approximation is made, for various methods for determining the resonant frequency (curves 10 - approximation of the discrete frequency response by a fourth degree polynomial and determination of the resonant frequency from the maximum of the polynomial and curves 11 - determination of the resonant frequency directly from the maximum of the discrete frequency response) and for various values of the signal-to-noise ratio N.

Фиг.4 - вид сигнала с шумами на выходе детектора (кривая 12) и полинома 4-ой степени, аппроксимирующего этот сигнал (кривая 13).Figure 4 - view of the signal with noise at the output of the detector (curve 12) and a polynomial of the 4th degree approximating this signal (curve 13).

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что заданный диапазон измерения резонансной частоты разбивают на N интервалов, каждому из которых соответствует частота ωi. Сигнал с частотой ωi - в момент времени ti подается на резонатор. Откликом этого резонатора будет сигнал u(t), который, как показано в (Харкевич А.А. Основы радиотехники. М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. 1962), имеет видThe essence of the invention lies in the fact that the predetermined measuring range of the resonant frequency is divided into N intervals, each of which corresponds to the frequency ω i . A signal with a frequency ω i - at a time t i is supplied to the resonator. The response of this resonator is the signal u (t), which, as shown in (Kharkevich A.A. Fundamentals of Radio Engineering. M.: State Publishing House of Literature on Communications and Radio. 1962), has the form

u ( t t i ) U m ε i 2 + d 2 [ sin ( ω i ( t t i ) + ϕ ) e α ( t t i ) sin ( ω 0 ( t t i ) + ϕ ) ] , ( 2 )

Figure 00000003
u ( t - t i ) U m ε i 2 + d 2 [ sin ( ω i ( t - t i ) + ϕ ) - e - α ( t - t i ) sin ( ω 0 ( t - t i ) + ϕ ) ] , ( 2 )
Figure 00000003

где ε i = 1 ω i 2 / ω 0 2

Figure 00000004
- относительная расстройка;Where ε i = one - ω i 2 / ω 0 2
Figure 00000004
- relative detuning;

α=dω0/2- постоянная затухания резонатора;α = 0/2 - cavity attenuation constant;

Um - амплитуда сигнала на входе резонатора;U m is the amplitude of the signal at the input of the resonator;

t - текущее время;t is the current time;

φ - начальная фаза;φ is the initial phase;

d - затухание резонатора;d is the attenuation of the resonator;

ω0 - собственная частота резонатора.ω 0 is the natural frequency of the resonator.

Огибающая этого сигнала на выходе резонатора Ui(t-ti) выражается формулойThe envelope of this signal at the output of the resonator U i (tt i ) is expressed by the formula

u ( t t i ) U m ε i 2 + d 2 1 + e α ( t t i ) 2 e α ( t t i ) cos ( Ω ( t t i ) ) , ( 3 )

Figure 00000005
u ( t - t i ) U m ε i 2 + d 2 one + e - α ( t - t i ) - 2 e - α ( t - t i ) cos ( Ω ( t - t i ) ) , ( 3 )
Figure 00000005

Из выражения (3) может быть получена формула для длительности переходного процесса в резонаторе τ при условии, чтоFrom expression (3), a formula can be obtained for the duration of the transient process in the resonator τ, provided that

е-ατ=0,1.e -ατ = 0.1.

ОтсюдаFrom here

τ = 2 , 3 / α = 4 , 6 L / r = 4 , 6 Q / ω 0 = 4 , 6 / ( ω 0 d ) ( 4 )

Figure 00000006
τ = 2 , 3 / α = four , 6 L / r = four , 6 Q / ω 0 = four , 6 / ( ω 0 d ) ( four )
Figure 00000006

Из вышесказанного вытекает, что при подаче на вход резонатора синусоидального сигнала 1 со ступенчато изменяющейся частотой (фиг.1а) сигнал 2 на выходе резонатора после детектирования будет выглядеть как ступенчатая функция времени t, на горизонтальные участки которой накладываются затухающие колебания, описываемые формулой (3) (фиг.1б).It follows from the foregoing that when a sinusoidal signal 1 is supplied to the resonator input with a stepwise changing frequency (Fig. (figb).

Из фиг.1б видно, что, применяя дискретное возбуждение резонатора в моменты времени ti сигналом с частотой ωi - необходимо учитывать наличие переходных процессов, возникающих в каждый из моментов ti. Поэтому для получения более точных значений дискретной АЧХ авторами предлагается проводить измерение амплитуды сигнала Ui на выходе резонатора в интервале Δti только после затухания переходного процесса, вызванного воздействием на резонатор единичного колебания с частотой ωi. В этом случае величина интервала Δti должна быть не меньше суммы длительности переходного процесса в резонаторе τ и длительности цифровой обработки аналогового сигнала, снимаемого с выхода резонатора, τр.From figb it is seen that, using discrete excitation of the resonator at time t i by a signal with a frequency ω i - it is necessary to take into account the presence of transients that occur at each of the moments t i . Therefore, to obtain more accurate values of the discrete frequency response, the authors propose to measure the amplitude of the signal U i at the resonator output in the interval Δt i only after the transient attenuation caused by the action of a single oscillation with a frequency ω i on the resonator . In this case, the interval Δt i must be not less than the sum of the duration of the transient process in the resonator τ and the duration of the digital processing of the analog signal taken from the output of the resonator, τ p .

Δ t i τ + τ p . ( 5 )

Figure 00000007
Δ t i τ + τ p . ( 5 )
Figure 00000007

В этом случае величина минимального шага перестройки частоты возбуждающего сигнала Δωs может быть вычислена по формулеIn this case, the value of the minimum frequency tuning step of the exciting signal Δω s can be calculated by the formula

Δ ω s ( ω max ω min ) Δ t i / t s k ( 6 )

Figure 00000008
, Δ ω s ( ω max - ω min ) Δ t i / t s k ( 6 )
Figure 00000008
,

где ωmax, ωmin - границы диапазона резонансных частот исследуемого резонатора;where ω max , ω min - the boundaries of the resonant frequency range of the investigated resonator;

tsk - длительность сканирования заданного диапазона резонансных частот;t sk is the scan duration of a given range of resonant frequencies;

Δti - - интервал времени, в течение которого производится возбуждение резонатора единичным колебанием с частотой ωi.Δt i - is the time interval during which the resonator is excited by a single oscillation with a frequency ω i .

Чтобы уменьшить погрешность измерения резонансной частоты, обусловленную конечным значением шага перестройки Δωs и наличием переходных процессов в резонаторе, в изобретении предлагается аппроксимировать дискретную АЧХ резонатора непрерывной функцией. В качестве такой функции могут быть взяты различные аналитические зависимости, широко применяемые для сглаживания экспериментальных данных, например, полином n-ой степени, сплайны, уравнение резонансной кривой и т.д. Рекомендации по выбору вида аппроксимирующей функции сводятся к следующему.To reduce the measurement error of the resonant frequency due to the final value of the tuning step Δω s and the presence of transients in the resonator, the invention proposes to approximate the discrete frequency response of the resonator by a continuous function. As such a function, various analytical dependencies can be taken that are widely used to smooth experimental data, for example, an nth degree polynomial, splines, the resonance curve equation, etc. Recommendations for choosing the type of approximating function are as follows.

Если аналитическое выражение для АЧХ исследуемого резонатора известно, то в качестве аппроксимирующей функции следует выбрать такое выражение, которое наиболее точно описывает указанную АЧХ, например, уравнение резонансной кривой, в обратном случае следует предпочесть полиномы или сплайны.If the analytical expression for the frequency response of the resonator under study is known, then as an approximating function, one should choose an expression that most accurately describes the specified frequency response, for example, the equation of the resonance curve, otherwise polynomials or splines should be preferred.

Использование полиномов и сплайнов облегчается тем, что для них уже разработаны и доступны различные компьютерные программы аппроксимации. Если, например, для аппроксимации используется полином n-ой степени, то для определения коэффициентов этого полинома необходимо решить систему из n линейных уравнений. Очевидно, что эти уравнения можно получить, имея всего n пар значений U1, ωI, однако на практике для наиболее точной аппроксимации необходимо использовать максимально возможное количество пар Ui, ωi, или учитывая конечное значение шага перестройки Δωi, увеличивать диапазон частот, в котором производится обработка величин Ai, ωi. Это обусловлено тем, что на огибающую сигнала на выходе резонатора накладываются различного типа шумы и наводки. Поэтому обработка максимального количества пар Ai, ωi, например, по методу наименьших квадратов приводит к сглаживанию этой огибающей, что в итоге уменьшает влияние этих шумов и наводок. Это можно объяснить также тем, что применение метода наименьших квадратов при аппроксимации АЧХ резонатора и последующем определении резонансной частоты эквивалентно усреднению данных измерения резонансной частоты. Однако при этом необходимо иметь в виду, что любая аппроксимация наиболее точно описывает АЧХ резонатора только в узкой полосе частот, центральная частота которой совпадает с резонансной частотой, и при увеличении этой полосы увеличивается также и погрешность аппроксимации. Кроме этого, увеличение диапазона аппроксимации приводит к уменьшению отношения сигнал/шум на выходе резонатора. Поэтому существует оптимальное значение полосы частот, при котором суммарная погрешность, то есть погрешность, обусловленная влиянием шумов, плюс погрешность аппроксимации сводится к минимуму. Это оптимальное значение, как показали исследования, зависит от добротности резонатора, уровня шумов, шага перестройки частоты, степени аппроксимирующего полинома, но всегда находится в пределах полосы пропускания резонатора Δω, определенной на уровне 0,707 (Δω=ω0/Q), что демонстрируют кривые 11 зависимости погрешности определения резонансной частоты от относительного диапазона частот аппроксимации, представленные на фиг.3.The use of polynomials and splines is facilitated by the fact that various computer approximation programs have already been developed and are available for them. If, for example, an nth degree polynomial is used for approximation, then to determine the coefficients of this polynomial it is necessary to solve a system of n linear equations. Obviously, these equations can be obtained with only n pairs of values of U 1 , ω I, however, in practice, for the most accurate approximation, it is necessary to use the maximum possible number of pairs U i , ω i , or, taking into account the final value of the tuning step Δω i , increase the frequency range in which the processing of the values of A i , ω i . This is due to the fact that various types of noise and interference are superimposed on the envelope of the signal at the output of the resonator. Therefore, processing the maximum number of pairs A i , ω i , for example, by the least squares method leads to smoothing of this envelope, which ultimately reduces the effect of these noises and interference. This can also be explained by the fact that the application of the least squares method for approximating the frequency response of the resonator and the subsequent determination of the resonant frequency is equivalent to averaging the measurement data of the resonant frequency. However, it must be borne in mind that any approximation most accurately describes the frequency response of the resonator only in a narrow frequency band, the central frequency of which coincides with the resonant frequency, and with an increase in this band, the approximation error also increases. In addition, an increase in the approximation range leads to a decrease in the signal-to-noise ratio at the resonator output. Therefore, there is an optimal value of the frequency band at which the total error, that is, the error due to the influence of noise, plus the approximation error is minimized. This optimal value, as studies have shown, depends on the quality factor of the resonator, noise level, frequency tuning step, degree of approximating polynomial, but always lies within the resonator passband Δω defined at 0.707 (Δω = ω 0 / Q), which is shown by the curves 11 the dependence of the error in determining the resonant frequency from the relative range of approximation frequencies, presented in figure 3.

Следует отметить, что существует также оптимальное значение степени аппроксимирующего полинома, при которой погрешность определения резонансной частоты минимальная, и это значение находится в пределах 3÷5. Это обусловлено тем, что хотя для получения высокой точности аппроксимации необходимо максимально увеличивать степень полинома и соответственно требуемое количество уравнений, однако при этом уменьшается количество независимых систем, которые можно составить из этих уравнений, что приводит к снижению эффективности усреднения.It should be noted that there is also an optimal value of the degree of the approximating polynomial at which the error in determining the resonance frequency is minimal, and this value is in the range of 3–5. This is due to the fact that, in order to obtain high approximation accuracy, it is necessary to maximize the degree of the polynomial and, accordingly, the required number of equations, however, the number of independent systems that can be composed of these equations is reduced, which leads to a decrease in the averaging efficiency.

Алгоритм определения резонансной частоты при аппроксимации дискретной АЧХ резонатора непрерывной функцией в общем случае заключается в следующем.The algorithm for determining the resonant frequency when approximating the discrete frequency response of the resonator by a continuous function in the general case is as follows.

Используя зафиксированные пары значений Ui, ωi, по методу наименьших квадратов определяются параметры аппроксимирующей функции (для полинома это коэффициенты полинома n-ой степени P(ω); для уравнения резонансной кривой это собственная частота ω0 и затухание d. Далее численными методами находится максимум этого полинома и соответствующая этому максимуму частота, которая принимается равной резонансной частоте, либо аналитическим методом находятся корни уравнения P'(ω)=0, один из которых принимается равным резонансной частоте. При использовании в качестве аппроксимирующей функции уравнения резонансной кривой резонансная частота ωr определяется по известной формулеUsing the fixed pairs of values of U i , ω i , the parameters of the approximating function are determined by the least square method (for the polynomial these are the coefficients of the nth degree polynomial P (ω); for the resonance curve equation, this is the natural frequency ω 0 and attenuation d. Next, using numerical methods, find the maximum of this polynomial and the frequency corresponding to this maximum, which is taken to be equal to the resonant frequency, or the roots of the equation P '(ω) = 0 are found by the analytical method, one of which is taken to be equal to the resonant frequency. AANII as a function of the equation approximating the resonance curve of the resonance frequency ω r is determined by the known formula

ω r = ω 0 ( 1 d 2 / 2 ) .

Figure 00000009
ω r = ω 0 ( one - d 2 / 2 ) .
Figure 00000009

Поскольку при любой аппроксимации уже в пределах одноразового сканирования обрабатывается максимальное количество пар значений Ui, ωi, то время измерения без ухудшения точности можно сократить до длительности этого сканирования tsk, что также является существенным преимуществом предлагаемого способа.Since at any approximation, the maximum number of pairs of values of U i , ω i are processed within a one-time scan, the measurement time without deterioration of accuracy can be reduced to the duration of this scan t sk , which is also a significant advantage of the proposed method.

Предлагаемый способ может быть реализован по схеме устройства, представленной на фиг.2.The proposed method can be implemented according to the scheme of the device shown in figure 2.

Указанное устройство работает следующим образом. ЦСП 4 формирует интервалы дискретизации Δti и соответствующие коды для управления частотой синтезатора 5 и АЦП 9. Эти коды периодически через интервалы Δti подаются на вход синтезатора 5 и по ступенчатому закону изменяют его частоту в диапазоне изменения резонансных частот (фиг.1а). Одновременно эти коды запоминаются ЦСП 4. От ЦСП 4 также поступают коды на управляющий вход АЦП для получения выборок в определенные моменты времени, соответствующие установившемуся режиму в исследуемом резонаторе. Далее высокочастотный сигнал с выхода синтезатора 5 с частотой ωi поступает на вход ФНЧ 6, который предназначен для подавления гармоник и других составляющих спектра, присутствующих в выходном сигнале синтезатора 5. С выхода ФНЧ 6 высокочастотный сигнал поступает на вход исследуемого резонатора 7 и затем на детектор 8, который выделяет напряжение огибающей этого высокочастотного сигнала Ui (фиг.1б, кривая 2). Напряжение Ui поступает на вход АЦП 9 и в заданные моменты времени преобразуется в цифровой код. От АЦП 9 коды выборок напряжения Ui поступают на ЦСП 4, где накапливаются вместе с соответствующими кодами частот ωi. По окончании сканирования ЦСП 4 производит логические и вычислительные операции, связанные с выделением значений Ui, ωi, которые находятся в пределах оптимального частотного диапазона, вычислением коэффициентов аппроксимирующего полинома (или параметров ω0 и d) и определения резонансной частоты ω0 по выбранному алгоритму.The specified device operates as follows. DSP 4 generates sampling intervals Δt i and the corresponding codes for controlling the frequency of synthesizer 5 and ADC 9. These codes are periodically fed through the intervals Δt i to the input of synthesizer 5 and, according to the stepwise law, change its frequency in the range of resonant frequencies (Fig. 1a). At the same time, these codes are remembered by the DSP 4. Codes from the DSP 4 also receive codes for the ADC control input to obtain samples at certain points in time that correspond to the steady state in the cavity under study. Next, the high-frequency signal from the output of the synthesizer 5 with a frequency ω i is fed to the input of the low-pass filter 6, which is designed to suppress the harmonics and other components of the spectrum present in the output signal of the synthesizer 5. From the output of the low-pass filter 6, the high-frequency signal is fed to the input of the resonator 7 and then to the detector 8, which isolates the envelope voltage of this high-frequency signal U i (Fig. 1b, curve 2). The voltage U i is supplied to the input of the ADC 9 and at specified times is converted into a digital code. From the ADC 9, the codes of the voltage samples U i are supplied to the DSP 4, where they are accumulated together with the corresponding frequency codes ω i . At the end of the scan, the DSP 4 performs logical and computational operations related to the selection of the values of U i , ω i that are within the optimal frequency range, calculation of the coefficients of the approximating polynomial (or parameters ω 0 and d) and determination of the resonant frequency ω 0 according to the selected algorithm .

Эффективность предлагаемого способа была подтверждена экспериментом с виртуальной моделью резонатора, дискретная АЧХ которого описывается следующим выражением The effectiveness of the proposed method was confirmed by an experiment with a virtual resonator model, the discrete frequency response of which is described by the following expression

A i = 1 / ( 1 ( ω i / ω 0 ) 2 ) 2 + d 2 ω i 2 / ω 0 2 . ( 7 )

Figure 00000010
A i = one / ( one - ( ω i / ω 0 ) 2 ) 2 + d 2 ω i 2 / ω 0 2 . ( 7 )
Figure 00000010

Точное значение резонансной частоты ωrs для данной модели резонатора вычисляется по формулеThe exact value of the resonant frequency ω rs for a given resonator model is calculated by the formula

ω r s = ω 0 ( 1 d 2 / 2 ) ,

Figure 00000011
ω r s = ω 0 ( one - d 2 / 2 ) ,
Figure 00000011

и это значение было принято за эталон.and this value was taken as a reference.

Модель была выполнена в среде Matlab и имела следующие параметры: ω0=3·108 рад/сек; ωmax=1,2·108 рад/сек; ωmin=0,8·108 рад/сек. Время сканирования tsk=100 мсек. Для добротности, изменяющейся в интервале Q=20÷100, минимальный шаг перестройки частоты синтезатора с учетом формул (4) (5) и (6) Δωs=103 рад/сек. Для приведенных данных по формуле (7) была рассчитана дискретная АЧХ, на которую для имитации помех была наложена случайная функция типа Гауссова шума. На фиг.4 представлены вид этой дискретной АЧХ при отношении сигнал/шум N=80дБ и Q=20 (кривая 12) и результаты аппроксимации этой дискретной АЧХ полиномом 4-ой степени для относительного диапазона аппроксимации Δωar=0,3 (кривая 13), который определялся какThe model was performed in the Matlab environment and had the following parameters: ω 0 = 3 · 10 8 rad / s; ω max = 1.2 · 10 8 rad / s; ω min = 0.8 · 10 8 rad / sec. Scanning time t sk = 100 ms. For the quality factor, varying in the interval Q = 20 ÷ 100, the minimum step of tuning the frequency of the synthesizer taking into account formulas (4) (5) and (6) Δω s = 10 3 rad / sec. For the data given by formula (7), a discrete frequency response was calculated, on which a random function of the Gaussian noise type was superimposed to simulate interference. Figure 4 presents a view of this discrete frequency response with a signal-to-noise ratio of N = 80dB and Q = 20 (curve 12) and the results of approximation of this discrete frequency response by a fourth-degree polynomial for the relative approximation range Δω ar = 0.3 (curve 13) which was defined as

Δωar=Δωa/Δω,Δω ar = Δω a / Δω,

где Δωa - диапазон частот, в котором производилась аппроксимация дискретной АЧХ;where Δω a is the frequency range in which the discrete frequency response was approximated;

Δω - полоса частот пропускания исследуемого резонатора.Δω is the passband of the investigated resonator.

При исследовании влияния относительного диапазона аппроксимации на погрешность определения резонансной частоты отношение сигнал/шум варьировалось в интервале N=40дБ÷∞. Резонансная частота определялась для Q=20 следующими методами:When studying the influence of the relative approximation range on the error in determining the resonance frequency, the signal-to-noise ratio varied in the interval N = 40dB ÷ ∞. The resonance frequency was determined for Q = 20 by the following methods:

1) Предложенным авторами способом определения резонансной частоты по максимуму полинома 4-ой степени, аппроксимирующему дискретную АЧХ с помехами.1) The method proposed by the authors for determining the resonant frequency from the maximum of a polynomial of the 4th degree approximating a discrete frequency response with noise.

2) Способом определения резонансной частоты непосредственно по максимуму дискретной АЧХ с помехами (как в прототипе).2) By the method of determining the resonant frequency directly from the maximum of the discrete frequency response with interference (as in the prototype).

Затем используя полученные экспериментальные значения резонансной частоты ωre и эталонное значение ωrs, рассчитанное по формуле (8), для каждого из способов определялась относительная погрешность определения резонансной частоты ωr в соответствии с формулойThen, using the obtained experimental values of the resonance frequency ω re and the reference value ω rs calculated by the formula (8), for each of the methods, the relative error in determining the resonance frequency ω r was determined in accordance with the formula

δωr =(ωrers)/ωrs.δω r = (ω re- ω rs ) / ω rs .

На фиг.3 представлены графики зависимости погрешности δωr от относительного диапазона аппроксимации Δωar при использовании предлагаемого способа (семейство кривых 10) и при использовании способа-прототипа (семейство кривых 11).Figure 3 presents graphs of the dependence of the error δω r on the relative approximation range Δω ar when using the proposed method (family of curves 10) and when using the prototype method (family of curves 11).

Результаты эксперимента, представленные на фиг.3, наглядно показывают, что погрешность способа, предложенного авторами, как минимум на порядок меньше погрешности способа-прототипа в широком диапазоне отношений сигнал/шум.The results of the experiment, presented in figure 3, clearly show that the error of the method proposed by the authors is at least an order of magnitude smaller than the error of the prototype method in a wide range of signal-to-noise ratios.

Claims (1)

Способ измерения резонансной частоты, характеризующийся тем, что последовательно возбуждают в резонаторе колебания различных частот из заданного набора и фиксируют эти частоты и соответствующие им значения амплитуды выходного сигнала резонатора, отличающийся тем, что для каждой из частот возбуждения фиксируют амплитуду выходного сигнала после затухания переходного процесса в резонаторе, аппроксимируют полученную дискретную зависимость амплитуды от частоты непрерывной функцией и резонансную частоту резонатора определяют по максимуму этой функции. A method for measuring a resonant frequency, characterized in that oscillations of various frequencies from a given set are sequentially excited in the resonator and these frequencies and the corresponding values of the amplitude of the output signal of the resonator are fixed, characterized in that for each of the excitation frequencies the amplitude of the output signal is fixed after the transient attenuation in resonator, approximate the obtained discrete dependence of the amplitude on the frequency of the continuous function and the resonant frequency of the resonator is determined by max mind this feature.
RU2012155959/28A 2012-12-24 2012-12-24 Method to measure resonant frequency RU2536833C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012155959/28A RU2536833C2 (en) 2012-12-24 2012-12-24 Method to measure resonant frequency

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012155959/28A RU2536833C2 (en) 2012-12-24 2012-12-24 Method to measure resonant frequency

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012155959A RU2012155959A (en) 2014-06-27
RU2536833C2 true RU2536833C2 (en) 2014-12-27

Family

ID=51216020

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012155959/28A RU2536833C2 (en) 2012-12-24 2012-12-24 Method to measure resonant frequency

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2536833C2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5436622A (en) * 1993-07-06 1995-07-25 Motorola, Inc. Variable frequency vibratory alert method and structure
RU2309386C2 (en) * 2004-10-18 2007-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "АКТЕЛ" Method and device for measuring flow rate of multi-phase immiscible fluids
WO2009120926A1 (en) * 2008-03-27 2009-10-01 Immersion Corporation Systems and methods for resonance detection

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5436622A (en) * 1993-07-06 1995-07-25 Motorola, Inc. Variable frequency vibratory alert method and structure
RU2309386C2 (en) * 2004-10-18 2007-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "АКТЕЛ" Method and device for measuring flow rate of multi-phase immiscible fluids
WO2009120926A1 (en) * 2008-03-27 2009-10-01 Immersion Corporation Systems and methods for resonance detection

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012155959A (en) 2014-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9109997B2 (en) Method for determining and/or monitoring at least one physical, process variable of a medium
JP3771195B2 (en) Weight measuring noise removing device and weight measuring noise removing method
US10401215B2 (en) Method and device for monitoring a process variable with vibronic sensor
EP2446234A2 (en) Determining the resonance parameters for mechanical oscillators
JPH10510355A (en) Information acquisition method
US20110036151A1 (en) Instrumentation of Acoustic Wave Devices
US20200072813A1 (en) Probing a structure of concrete by means of electromagnetic waves
JP2007509328A (en) Method for determining humidity and density of dielectric materials
RU2536833C2 (en) Method to measure resonant frequency
US6232760B1 (en) Method for determining and compensating the transmission function of a measurement apparatus, in particular of a spectrum analyzer
JP2008039641A (en) Nuclear magnetic resonance apparatus
US20190097579A1 (en) Method for determining characteristic parameters of an oscillator
RU2190842C1 (en) Drugs and explosives detector unit
US10746624B2 (en) Determining the root mean square value of a machine vibration variable
US8552808B2 (en) Apparatus and method for oscillator resonator power control
RU124812U1 (en) DEVICE FOR MEASURING RESONANCE STRUCTURE CHARACTERISTICS
RU2551400C1 (en) Method of harmonic analysis of periodic multifrequency signal against the noise background
RU2541119C1 (en) Resonant frequency measurement method
RU2312368C2 (en) Method of measuring quality factor of resonator
RU2295911C1 (en) Method for distance control for physiological parameters of body's vital activity
Aoshima Short time spectrum analysis by complex first order system
RU2785080C1 (en) Method for determining the actual oscillation frequency of a quartz hemispherical resonator of a wave solid state gyroscope
RU2520537C2 (en) Method to measure resonance structure characteristics and device for its implementation
Greenhall et al. Local oscillator limited frequency stability for passive atomic frequency standards using square wave frequency modulation
JPH0287053A (en) Method for determining characteristic value of hf-oscillator and circuit device

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181225