Партнерка на США и Канаду по недвижимости, выплаты в крипто
- 30% recurring commission
- Выплаты в USDT
- Вывод каждую неделю
- Комиссия до 5 лет за каждого referral
ДОСЛІДЖЕННЯ ТРЬОХЗОНДОВОГО НВЧ СЕНСОРА МЕХАНІЧНИХ ПЕРЕМІЩЕНЬ
Радіотехніка
Перелік ключових слів: ЗОНД, ДЕТЕКТОР, НВЧ СЕНСОР.
Розробка засобів вимірювання параметрів механічних переміщень і вібрацій є актуальним науково-технічним завданням.
Вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття є базовим для техніки НВЧ. Техніка зв'язку перейшла на мікросмужкову технологію, однак застосування хвиль НВЧ діапазону для безконтактного вимірювання у вільному просторі як і раніше вимагає використання хвилеводної техніки. Тому що комплексний коефіцієнт відбиття безпосередньо пов'язаний з відстанню до відбиваного об'єкта, його визначення може явно дати інформацію про відстань на якій перебуває цей об'єкт.
Більшість відомих методів, що використовуються для вимірювання вібрації або переміщень, є контактними й вимагають механічного зв'язку з контрольованим об'єктом. На практиці такий контакт часто неприпустимий, здебільшого з тих обставин, що фізичний контакт вимагає більших засобів для реалізації або взагалі неможливий.
Мікрохвильові методи є безінерційними й припускають безконтактні виміри. Останнє в умовах термічних навантажень об'єкта або при знаходженні його в агресивному середовищі є вирішальною обставиною на користь вибору мікрохвильових методів. Вони дозволяють визначати вібропереміщення (амплітуду вібрацій), віброшвидкість (частоту вібрації) і віброприскорення.
У роботі описується метод виміру механічних переміщень за допомогою трьохзондового НВЧ сенсора. Така конструкція викликана тим, що за допомогою одиночної вимірювальної секції неможливо реалізувати вимірювач комплексного коефіцієнта відбиття, а двохзондовий датчик дає не єдине значення шуканого комплексного коефіцієнта відбиття. У використанні трьохзондового НВЧ сенсора можна виділити наступні основні позитивні риси:
§ відсутність тертьових частин, що не спричиняє механічного зношування;
§ висока чутливість;
§ відносна простота конструкції.
Сучасні вимірники комплексних параметрів базуються на концепції дванадцятиполюсних перетворювачів на основі мостів, які в мікросмужковому виконанні досить компактні. Але оскільки поставлену мету можна здійснити шляхом використання десятиполюсного пристрою і у відсутності гібридних елементів, тому доцільно докладніше вивчити цей спосіб, при умові, що виміри проводяться на незмінній частоті.
Інформація про відстань до об'єкта, що відбиває, укладена у фазі комплексного коефіцієнта відбиття, тому необхідно розглядати багатозондові вимірювачі комплексного коефіцієнта відбиття, зокрема, трьохзондовий. Практичне застосування існуючих методів вимагає підвищення ймовірності й надійності, які забезпечуються застосуванням сучасних засобів обробки інформації, наприклад, нейромережевих технологій.
Для проведення вимірювань була складена схема, що зображена на рисунку 1. Для забезпечення даної схеми та її налаштування були використані наступні прилади: генератор сигналів високочастотний Г4-83, мілівольтметр В3-38, вимірювальна лінія Р1-4 з квадратичною характеристикою детектору, атенюатор Д5-5, узгоджене навантаження з номінальним КСХН=1,15, рухомий короткозамикач, пірамідальний рупор з апертурою 95×95. Перетин хвилеводу для всього НВЧ тракту становить 23×10 мм. Падаюча хвиля з генератора 1 на частоті 10 ГГц, через вентиль 2 потрапляє в вимірювальну секцію з трьох зондів 3 та йде далі по лінії передачі до невідомого навантаження 4. Відбита хвиля складається з падаючою і визначається діодами зондів. Оскільки в лінії знаходяться три детектори, які не розташовані таким чином, що на двох із них приходить однаковий фазовий зсув, то будуть отримані відразу три значення епюри для стоячої хвилі. Використовуючи їх за допомогою прикладних програм можна розрахувати всю траєкторію хвилі.
Рис. 1
Калібрування схеми виконувалося наступним чином: до НВЧ тракту приєднувався короткозамикач (рис. 2).
Рис. 2
Далі з епюри стоячої хвилі (показань детектора) визначалося мінімальне значення стоячої хвилі – вузол. З цього положення на одній з вимірювальних ліній рухали зонд і знімали значення детектору через 1 мм до наступного мінімуму. Це дозволяє знайти половину довжини хвилі[1] в лінії. Після цього виконувалося визначення значень напруги стоячої хвилі ще й через кожні 2 мм за ноніусом всієї лінійки вимірювальної лінії, для порівняння з програмними розрахунками. Отримані значення заносилися до таблиці для подальшого нормування значень експерименту. Після цього короткозамикач від’єднували і приєднували узгоджене навантаження для визначення величини падаючої хвилі в місцях розташування зондів. Ці значення також будуть використані в розрахунках для нормування певного детектору.
Після цього до НВЧ тракту замість узгодженого навантаження приєднувався рухомий короткозамикач. З нульового положення короткозамикача змінювали положення його відбиваючої поверхні до 30 мм з кроком 2 мм і кожного разу фіксували значення детекторів. Після отримання результатів, в схему вмикали атенюатор, для наближення експерименту до реальних умов. Змінюючи значення загасання знову виконували переміщення короткозамикача у вказаному вище діапазоні.
Проаналізуємо роботу установки для випадку, коли зонди з детекторами розташовані у хвилеводі на однаковій відстані 
друг від друга (
– довжина хвилі у хвилеводі), причому детектори мають квадратичні характеристики. Вихідний сигнал 
, отриманий з детекторів, у цьому випадку буде мати вигляд:
, (1)
де 
, 
. При цьому сигнали 
мають сенс опорних, а сигнали 
містять інформацію про досліджуваний комплексний коефіцієнт відбиття 
. Коефіцієнти пропорційності 
для кожного з детекторів усуваються з остаточних виражень шляхом розподілу результатів вимірів (1) на результат вимірів у режимі хвилі, що біжить, тобто при погодженому навантаженні. Таким чином, маємо систему трьох нормованих величин 
:
(2)
Далі відповідно до методу голографії із трьома опорними сигналами необхідно сформувати величини 
й 
, при цьому процедура вирахування сигналу при погодженому навантаженні з кожного з 
може бути опущена. У результаті одержимо систему лінійних алгебраїчних рівнянь щодо дійсної 
й уявної частини 
комплексного коефіцієнта відбиття:
. (3)
Число обумовленості матриці правих частин системи дорівнює 2,618, що незначно гірше числа обумовленості для 4-х зондового вимірника, що дорівнює 1. Слід зазначити, що число обумовленості не залежить від значень коефіцієнта відбиття, у той час як рішення системи квадратних рівнянь класичним методом здобуває більші похибки при коефіцієнті відбиття, що наближається до одиниці. Рішення системи (3) може бути записане в явному виді:
.
Ефективність роботи зазначеного класу вимірювання залежить від ефективності проведення калібрування. Тому становить інтерес застосування нейронних мереж для забезпечення калібрування діодних датчиків потужності, тобто забезпечення максимально жорсткого виконання квадратичних характеристик.
Для цієї мети була створена в програмному середовищі MathCAD математична модель тришарової нейронної мережі зі зворотним зв'язком. Перший шар мав 1 нейрон, що визначалося вхідним відліком діодного датчика потужності для конкретного положення 
зонда у вимірювальній лінії. Третій шар мав 1 нейрон, що відповідало вихідному значенню нормованої величини 
, де – довжина хвилі у хвилеводі вимірювальної лінії. Перший і другий шари (вхідний і схований) нейронної мережі мали сигмоідальну функцію (S - функція) активації шарів нейронів, третій (вихідний) шар – лінійну.
Була проведена серія тренувань математичної моделі нейронної мережі із застосуванням ряду алгоритмів (Левенберга - Маркварда, сполучених градієнтів, Флетчера - Пауелла, класичний алгоритм зворотного поширення, алгоритм зворотного поширення помилки з використанням методу січних, алгоритм масштабованих сполучених градієнтів, алгоритм Полака - Рібера) і різним числом нейронів у внутрішньому шарі (від 8 до 12 із кроком 1, і від 10 до 80 із кроком 10). Слід зазначити, що для кожного обраного числа нейронів у внутрішньому шарі було використано, принаймні, 3 спроби підбору ваг. Якість сформованої мережі перевірялося шляхом пред'явлення набору вхідних даних. Найкращі результати показала модель нейронної мережі, що має 10 нейронів у схованому шарі, при цьому був використаний алгоритм масштабованих сполучених градієнтів. Слід зазначити, що число нейронів в схованому шарі перевищувало розрахункові значення. Точність навчання становила 
.
Як вже зазначалось вище, виміри були проведені для рухливого короткозамкненого поршня (ідеальне значення модуля коефіцієнта відбиття 1,0) при його зсуві від первісного положення із кроком 2 мм. Зміна модуля коефіцієнта відбиття була забезпечена використанням атенюатора, включеного між короткозамкненим поршнем і вимірювальною секцією. При цьому для ідеального випадку модуль коефіцієнта відбиття для атенюатора із загасанням 6, 20, 30 дБ становить 0,5, 0,1, 0,0316. Дані вимірів при проведенні калібрування й у його відсутності наведені в таблиці 1. Застосування нейронних мереж для калібрування демонструє істотну перевагу в точності оцінок модуля коефіцієнта відбиття відбивача в порівнянні з випадком відсутності такої процедури.
Таблиця 1
Оцінка модуля КВ після калібрування відн. од. | Оцінка модуля КВ без калібрування відн. од. | Оцінка місця знаходження відбивача після калібрування, мм | Похибка оцінки фази, град | Оцінка місця знаходження відбивача без калібрування, мм | Похибка оцінки фази, град |
Дані для короткозамикача | |||||
0,97 | 0,78 | 0 | 0 | 0 | 0 |
0,99 | 0,73 | 5,03 | 0,27 | 4,88 | 1,08 |
0,97 | 0,75 | 10,10 | 0,90 | 9,70 | 2,7 |
0,96 | 0,80 | 15,05 | 0,45 | 14,83 | 1,53 |
Дані для короткозамикача при наявності атенюатора з послабленням 6 дБ | |||||
0,49 | 0,41 | 0 | 0 | 0 | 0 |
0,52 | 0,39 | 5,11 | 0,99 | 4,93 | 0,63 |
0,50 | 0,40 | 10,34 | 3,06 | 9,85 | 1,35 |
0,47 | 0,41 | 15,24 | 2,16 | 14,91 | 0,81 |
Дані для короткозамикача при наявності атенюатора з послабленням 20 дБ | |||||
0,11 | 0,08 | 0 | 0 | 0 | 0 |
0,13 | 0,08 | 5,53 | 4,67 | 4,98 | 0,18 |
0,11 | 0,08 | 11,05 | 9,45 | 9,97 | 0,27 |
0,09 | 0,08 | 15,40 | 3,60 | 14,87 | 1,17 |
Дані для короткозамикача при наявності атенюатора з послабленням 30 дБ | |||||
0,03 | 0,02 | 0 | 0 | 0 | 0 |
0,03 | 0,02 | 4,95 | 0,45 | 4,94 | 0,54 |
0,03 | 0,02 | 9,99 | 0,09 | 9,88 | 1,08 |
0,02 | 0,01 | 14,58 | 3,58 | 14,49 | 4,59 |
Схема наступної експериментальної установки відрізнялась від попередньої лише наявністю рупорної антени замість короткозамикача. Від генератора через вентиль, НВЧ сигнал частоти 10 ГГц надходить на вхід вимірювальної хвилеводної вимірювальної секції з трьома зондами, з'єднаними з детекторами, вимірювальна секція безпосередньо з'єднана із приймально-передавальним рупором (рис. 3). Випромінювана хвиля падає на відбивач у вигляді плоскої металевої пластини, що зміщується вздовж осі рупора, відповідно відбитий сигнал надходить в антену й вимірювальну секцію, у якій формується стояча хвиля. Початкова відстань від площини апертури антени до пластини становила 300 мм. Контрольований об'єкт зміщувався вільно – без використання напрямної. Дані з детекторів вимірювальної секції фіксувалися через кожні 3 мм переміщення відбиваючої поверхні. З метою накопичення статистики експеримент був проведений кілька разів. Антена, як вже вище позначалось, являла собою пірамідальний рупор довжиною 200 мм і розмірами апертури 95×95 мм. У результаті були отримані матриці даних розмірністю 3×50, де 3 – кількість зондів датчика потужності, а 50 – кількість фіксованих положень відбивача.
Рис. 3
Так само, як і у попередньому випадку з короткозамикачем, для корегування характеристики детектора була застосована математична модель нейронної мережі конфігурації , що має відповідно 1 нейрон у вхідному шарі, 10 нейронів у схованому шарі й 1 нейрон у вихідному шарі. Передатна функція активації нейронів вхідного й схованого шарів сигмоідальна (S - функція), для вихідного шару – лінійна.
Була проведена серія тренувань математичної моделі нейронної мережі із застосуванням ряду алгоритмів що вже були вказані вище. Слід зазначити, що для кожного обраного числа нейронів у внутрішньому шарі було почато принаймні три спроби підбора вагових коефіцієнтів, оскільки при тому самому алгоритмі тренування при різних значеннях вагових коефіцієнтів забезпечується різна ефективність роботи мережі. Якість генерованої нейронної мережі перевірялося шляхом пред'явлення набору тестових вхідних даних.
Найкращі результати показала нейронна мережа, натренована відповідно до алгоритму масштабованих сполучених градієнтів. Побудовані моделі характеристик детекторів дозволили більш точно визначати комплексний коефіцієнт відбиття, особливо його модуль. Це важливо для коректного вирахування коефіцієнта відбиття антени з результатів вимірів.
На рис. 4 по осі абсцис відкладені значення відносного переміщення контрольованого об'єкта від початкового положення, а по осі ординат – абсолютні значення похибок оцінок у порівнянні із установленим значенням відстані (відстані визначалися міліметровою лінійкою). Де крива 1 – це залежність значень абсолютної похибки визначення відстані, отримана відповідно до наведеного вище методом обчислень. Оскільки абсолютні похибки одного знаку, зрозуміло, що вони не є випадковими, і в них є присутнім систематичний позитивний компонент.
|
|
|
|
Рис. 4
З метою одержання більш точних результатів оцінок відстаней була створена математична модель нейронної мережі, що складалася з 1-го вхідного нейрона, 15-ти нейронів у схованому шарі й 1-го нейрона у вихідному шарі. Для вхідного й вихідного шарів була обрана лінійна функція активації, для нейронів у схованому шарі - сигмоідальна (S - функція). Алгоритмом тренування був обраний алгоритм оптимізації Левенберга - Марквардта. У якості вхідних даних для тренування були взяті результати оцінок для першого набору експериментальних даних, отриманих для всієї сукупності встановлюваних відстаней, вектором цільових (еталонних) значень були бажані (реально встановлені) значення відстаней. Перевірка працездатності мережі здійснювалися за результатами оцінок відстаней для інших наборів даних вимірів.
На рис. 4 відображені абсолютні похибки оцінок відстані із застосуванням для обробки результатів математичних моделей нейронних мереж (крива 2).
Середнє арифметичне значення абсолютної похибки результатів оцінок із застосуванням нейромережевих технологій склало 0,28 мм, а без застосування – 0,39 мм.
Дані першого експерименту показують, що калібрування дозволяє істотно підвищити точність значення модуля коефіцієнта відбиття, відповідно і оцінки місця розташування поршня, і звідси витікає, що оцінки фази коефіцієнта відбиття, можуть у ряді випадків бути отримані більш точними під час відсутності калібрування. В цілому, метод обробки, з трьома опорними сигналами, показав, що він забезпечує можливість вимірювання комплексного коефіцієнту відбиття як близького до одиниці, так і близького до нульового значення.
Що ж стосується другого експерименту, то необхідно врахувати й той факт, що контрольований об'єкт не був жорстко зафіксований, а це означає що не завжди відбиваюча площина поверхні розташовувалася строго перпендикулярно до осі антени, а виходить, відбувалися втрати частини відбитого електромагнітного випромінювання, тим самим умови експерименту були наближені до реальних умов переміщення об’єктів. Отже, можна чекати приблизно таких самих похибок при промисловому використанні даного методу безконтактного вимірювання.
Проведені експерименти підтвердили і ефективність застосування нейромережевих технологій для обробки вимірювальних даних, оскільки було забезпечене підвищення точності визначення місць розташування відбивача.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ І ЛІТЕРАТУРИ
1. W. J. Duffin, “Three probe method of impedance measurement,” Wireless Eng., pp. 317-320, Dec. 1952.
2. D. D. King, Measurements at Centimeter Wavelength. Princeton, NJ: Van Nostrand, 1952, pp. 197-201.
3. J. K. Chamberlain and B. Easter, “A technique for the continuous indication of waveguide reflection coefficient, impedance, or admittance” Proc. Inst. Elec. Eng., pp. 696-703, May 1962.
4. , , Обобщенная математическая модель параметрического измерителя векторного отношения двух СВЧ сигналов // Радиоэлектроника. – 2006. – Вып. 7. – С. 3–7.
5. E. Martin, J. Margineda, and J. Zamarro, “An automatic network analyzer using a slotted line reflectometer”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-30, no. 5, pp. 667-669, May 1982.
6. Gimpilevich Yu. B., Smailov Yu. Y., “A method for measuring of two microwave signals vector ratio”, Proc. of the 5th International Conference “Antenna theory and techniques” – Kyiv, Ukraine, 2005. – pp. 397-398.
[1] Вимірювання довжини хвилі взагалі кажучи не потрібне, тому що можна перерахувати частоту генератора в цей параметр. Воно було використано суто для перевірки вихідних даних генератора.
Основные порталы (построено редакторами)