SU1739324A1 - Способ балансировки коррел ционного измерител шума электрохимических сейсмоприемников - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в сейсмическом приборостроении. По предлагаемому способу балансировку по фазе производ т по максимуму взаимно коррел ционной функции сигналов опорного и испытуемого сейсмоприемников, а балансировку по амплитуде - по минимуму разности взаимно коррел ционной функции указанных сигналов и усредненного квадрата сигнала испытуемого сейсмопри- емника. 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в сейсмометрическом приборостроении.

При коррел ционном способе измерени  собственных шумов электронных преобразователей в активном режиме с учетом собственных шумов устройства возбуждени , шумы испытуемого преобразовател  получаютс  как разность автокоррел ционной и взаимно коррел ционной функций сигналов испытуемого и опорного преобразователей . Формирование автокоррел ционной функции осуществл етс  с помощью квадратора и интегратора, а взаимно коррел ционной - с помощью перемножител  и интегратора. Разность этих функций получаетс  с помощью блока разности.

Электрические сигналы с опорного и испытуемого преобразователей усиливаютс  предварительными усилител ми. В результате устройства измерени  содержат два канала - канал опорного и канал испытуемого преобразователей. Дл  исключени  собственных шумов устройства возбуждени  перед измерением производ т предварительную балансировку каналов по выходным напр жением сигналов предварительных усилителей. При таком способе балансировки измерительного устройства не учитываетс  возможный сдвиг по фазе сигналов от испытуемого и опорного преобразователей.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ балансировки устройства, с помощью которого измер ют собственные шумы электрохимического сейсмоприемни- ка, исключа  вли ние сейсмического фона.

Устройство содержит также испытуемый и опорный преобразователи (сейсмоп- риемники), 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 сейс- моприемника содержит последовательно соединенные усилитель, избирательный фильтр, квадратор и интегратор, канал

сл

с

х|

со о

N3

опорного - последовательно соединенные фазовращатель, усилитель с перестраиваемым коэффициентом усилени , избирательный фильтр, перемножитель, интегратор. Выходы интеграторов соединены с входами блока разности, к выходу которого подключен измерительный прибор. Избирательные фильтры включены в каналы с целью получени  спектральной плотности шумов. Балансировка этого устройства производитс  по выходным гармоническим электрическим сигналам усилителей испытуемого и опорного каналов как по амплитуде, так и по фазе.

Такой способ балансировки  вл етс  сложным, так как требует два различных индикатора (баланса амплитуды и фазы) и приводит к значительной погрешности измерени  собственных шумов сейсмоприем- ника, так как при такой балансировке не учитываютс  последующие блоки каналов устройства измерени .

Целью изобретени   вл етс  упрощение процесса балансировки и уменьшение погрешности измерени  собственного шума электрохимических сейсмоприемников.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что балансировку по фазе поизвод т с помощью измерительного прибора, подключенного к выходу измерительного устройства, по максимуму взаимно коррел ционной функции сигналов опорного и испытуемогосейсмоприемников , балансировку по амплитуде выполн ют с помощью того же измерительного прибора, что и балансировку по фазе, подключают его к выходу опорного канала, добиваютс  минимума разности взаимно коррел ционной функции сигналов испытуемого и опорного сейсмоприемников и усредненного квадрата сигнала испытуемого сейсмоприемника.

Электрические сигнлы (сигналы возбуждени ), снимаемые с испытуемого и опорного сейсмоприемников, установленных на столе вибростенда, возбуждаемого задающим блоком, и  вл ющиес  аналогом сигналов , возбуждаемых сейсмическим фоном, можно записать так:

UBM(t) (11вт)и COS (COt -pi), UBon(t) (UBT)on COS (О) t ( ).

Обозначим Uuji(t), Uiu2(t) - собственные шумы испытуемого и опорного сейсмоприемников . Дл  простоты анализа, не наруша  его общности, собственные шумы отдельных блоков каналов (усилителей, фильтров, квадратора, перемножител , фазовращател , интеграторов) не учитываютс .

Дл  повышени  точности балансировки принимают напр жение возбуждени  UB(t) на 1,5-2 пор дка больше напр жений, вызываемых сейсмическим фоном. 5В процессе балансировки сигнал на выходе интегратора канала испытуемого сейсмоприемника записываетс  в виде

ии АиКкв 4 / Ки Кф 2 Uuji(t) + LMt),(1)

, °

где Аи, Ккв, Ки; Кфи - коэффициенты передачи интегратора, квадратора, усилител , избирательного фильтра соответственно.

После возведени  в квадрат, интегрировани , учитыва , что сигнал шума и сигнал возбуждени   вл ютс  центрированными и независимыми сигналами и их взаимно коррел ционна  функци  равна нулю, получим усредненный квадрат сигнала испытуемого сейсмоприемника

Ои - Аи Ки2 Кфи2 Ккв (0Ш12 + ОвД (2) Сигнал на выходе интегратора канала опорного сейсмоприемника (взаимно коррел ционна  функци ) запишетс  в виде

-1г

Uon Aon Кп Y / Ки Кол Кфи Кфоп Uiul(t)f- 1 о

+ iMt) iMt) + uBon(t) dt, (3)

где Аол, An, Коп, Кфоп - коэффициенты передачи интегратора, перемножител , усилител  с фазовращателем, фильтра канала опорного сейсмоприемника.

Произвед  перемножение, интегрирование , учт  указанное замечание и прин в р . , получим

Uon Коп Кп Ки Коп Кфи Кфоп UBH Ueon. (4)

Сигнал на выходе блока разности:

U Ои - Uon Аи Ки2 Ккв Кфи2 0Ш12 + (Цви2 Аи Ки Ккв Кфи Аоп Кп Ки Коп Кфи Кфоп UBJI Uean).(5)

Из выражени  (5) видно, что первое слагаемое пропорционально усредненному квадрат; значени  собственных шумов ис- пытуемого сейсмоприемника. Второе слагаемое определ ет погрешность измерени  шума за счет несбалансированности коэффициентов передачи опорного и испытуемого каналов. Если учесть еще собственные шумы остальных блоков каналов, то погрешность за счет несбалансированности будет еще больше.

Запишем второе слагаемое выражени  (5) в виде

В известном устройстве балансировку производ т по амплитудам гармонических сигналов испытуемого и опорного сейсмоп- риемников, возбуждаемых вибростендом. При этом индикатор баланса амплитуд (вольтметр переменного тока) подключают к выходам усилителей опорного и испытуемого каналов, регулируют коэффициент уси- лени усилител опорного

сейсмоприемника и добиваютс  равенства амплитуд, которое регистрируетс  по нулевому показанию индикатора баланса амплитуд . При таком способе балансировки выполн етс  только условие

Коп Цвоп

1

I I

(7)

Ки иви

Дл  полной балансировки устройства необходимо выполнить дополнительно условие

Арп Кп Кфрн л{о

Кфн 1 (8)

услови  приведет к

Аи Ккв

Невыполнение этого значительной погрешности измерени  собственных шумов сейсмоприемника.

Дл  оценки погрешности измерени  примем в качестве избирательного фильтра активный RC-фильтр с коэффициентом пеQ редачи Кф 27Tf R С дл  КОТ°Р°ГО в

диапазоне частот 10-0,01 Гц величины R и С имеют значени  (1-100) мкФ и (1-100) мОм. Если прин ть точность изготовлени  их равной 1 %, то погрешность коэффициента передачи фильтра Кф равна 2%.

Подобные рассуждени  можно применить к интегратору и прин ть погрешность коэффициента его передачи равной 2%.

В качестве перемножителей можно использовать микросхемы 525ПС1, 525ПС2, дл  которых погрешность перемножени , коэффициента передачи может быть прин та 1%.

Таким образом, результирующа  погрешность коэффициента передачи каждого канала /3составит величину/ 2,2%.

Результат измерени  собственного шума сейсмоприемника получаетс  как разность значений напр жений опорного и измерительного каналов. В этом случае результирующа  погрешность измерени 

В лабораторных услови х промышленного города величина сейсмического фона UB может достигать (10-50) 11Ш1, тогда /Зг) (22-110)%, что  вно недопустимо.

Дл  устранени  этой погрешности в предлагаемом способе балансировку предлагаетс  проводить с учетом всех блоков, т.е. выполнить услови  (7) и (8) одновремен- но.

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

В известном устройстве балансировку по фазе выполн ют по выходным гармоническим сигналам усилителей испытуемого и опорного каналов. С помощью индикатора баланса фаз (двухлучевого осциллографа), путем регулировани  фазовращател  доби- ваютс  совмещени  обоих сигналов. При таком способе балансировки не учитываетс  дополнительный возможный сдвиг фаз в блоках фильтров.

При возбуждении сейсмоприемников

гармоническим воздействием, при условии

(UB)T Umi значение напр жени  на выходе

интегратора опорного канала (взаимнокоррел ционна  функци ) запишетс  в виде

25 г, , ,л AiA2 Uon О)- 2

UBTCosI T-Oi (pi} ,

(9)

где Ai, A2 - коэффициенты передачи испы- туемого и опорного каналов, AI Ки2 Кфк,

А2 Аоп Коп К фоп Кп,

1 - pi - разность фаз сигналов испытуемого и опорного каналов на входе перемножител .

Оба сейсмоприемника установлены на столе вибростенда, тогда т 0, и при р- - pi получим

Uon(O)

сП AI Аа , .2 Вт Usrn - 1иоп,)максоUBT

(Ю)

2 WBT2

где Bi Аоп Ки Коп Кфц Кфоп Кп.

Дл  упрощени  прин то (11Вт)и (ивт)огг. По предлагаемому способу балансировку по фазе осуществл ют по максимуму взаимно коррел ционной функции. При этом индикатором баланса фаз  вл етс  измерительный прибор, который через переключатель подключают к выходу интегратора

опорного канала, регулируют фазовращатель и регистрируют максимум взаимно коррел ционной функции. Така  балансировка значительно проще и дополнительно учитывает сдвиг по фазе в фильтрах.

Автокоррел ционна  функци  сигнала канала испытуемого сейсмоприемника (сигнал на выходе интегратора) запишетс  в виде

Ti /-л RI UBW UM (r)5

COS (ОТ.

При Г 0 получим

AiUim

(11)

Ои(0) (ии)макс

где AI Аи Ки2 Ккв Кфи2.

Сравнива  выражени  (10) и (11), при (ии)макс (иоп)макс(12)

получим Bi At.

Следовательно, при выполнении услови  (12) обеспечиваетс  полна  балансировка каналов опорного и испытуемого сейсмоприемников, т.е. выполн етс  услоАрп Кп Кфоп Коп JBOO

Кфи

вне:

1

АИ Ккв Кфи Ки Ови

По предлагаемому-способу балансировку по амплитуде выполн ют путем сравнени  среднего квадрата сигнала испытуемого сейсмоприемника и взаимно коррел ционной функции сигналов опорного и испытуемого сейсмоприемников по измерительному прибору (вольтметру посто нного тока), который подключен к выходу блока разности. Измен   коэффициент усилени  регулируемого усилител , добиваютс  минимума показани  прибора.

По предлагаемому способу балансировки вместо двух индикаторов баланса фаз и амплитуд используют один измерительный прибор (вольтметр посто нного тока), который подключают к выходу измерител  шума (блоку разности) через переключатель на два положени . Это существенно упрощает процесс балансировки.

На чертеже представлена схема возможного варианта измерител  шума и подключени  к нему измерительного прибора, который одновременно используют и дл  балансировки.

На схеме обозначены: задающий блок 1, вибростенд 2, испытуемый 3 и опорный 4 сейсмоприемники, фазовращатель 5, усилители б, 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 отличаетс  от известного тем, что

балансировку провод т не по переменному аналоговому сигналу с учетом только коэффициентов преобразовани  и фазовых сдвигов сейсмоприемников и усилителей, а по среднему значению сигнала и взаимно коррел ционной функции сигналов с учетом коэффициентов передачи и фазовых сдвигов всех блоков каналов испытуемого и опорного сейсмоприемников, что значительно уменьшает погрешность измерени  собственных шумов и упрощает процесс балансировки .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ балансировки коррел ционного измерител  шума электрохимических сейсмоприемников , состо щий в том, что предварительную балансировку выполн ют по гармоническим сигналам испытуемого и

   опорного сейсмоприемников, которые возбуждают через вибростенд задающим блоком , регулируют коэффициент усилени  перестраиваемого усилител , затем регулируют фазу сигнала опорного сейсмоприемника , отл и ч а ю щ и и с   тем, что, с целью повышени  точности измерени  собственных шумов и упрощени  процесса балансировки , балансировку по фазе производ т с помощью измерительного прибора, подключенного к выходу измерительного устройства , по максимуму взаимно коррел ционной функции сигналов опорного и испытуемого сейсмоприемников, балансировку по амплитуде выполн ют с

   помощью того же измерительного прибора, что и балансировку по фазе, подключают его к выходу опорного канала, добиваютс  минимума разности взаимно коррел ционной функции сигналов испытуемого и опорного

   сейсмоприемников и усредненного квадрата сигнала испытуемого сейсмоприемника.

   jЈ1

   U

   Г№