Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя (стр. 5 )

3.  Динамические характеристики приборов.

В процессе измерения в приборе возникают собственные движения, искажающие измеряемый сигнал. В зависимости от соот­ношения скорости собственного движения и изменения измеряе­мой величины различают статический и динамический режимы из­мерения. Статическим называется режим измерения, при котором скорость изменения измеряемой величины значительно меньше (примерно на порядок) скорости собственных движений. Если эти скорости сравнимы, то режим измерения называется динамиче­ским.

Статические свойства прибора оцениваются статической ха­рактеристикой, представляющей собой зависимость между устано­вившимися значениями входной и выходной величин:

где x(t) и y(t) - векторные величины;

F(x) - требуемая функция преобразования.

Чувствительностью прибора S называется отношение приращения выходного сигнала Dу к приращению входного сигнала Dх при D х ®0, т. е.

Чувствительность прибора может быть также выражена через передаточную функцию W(p) при р®0 или частотную характеристику Н(w) при w®0, т. е.

Статические характеристики приборов

Для анализа статических характеристик приборов необходимо составить статическую структурную схему, которая отличается от динамической схемы тем, что в передаточных функциях звеньев необходимо положить р = 0. В этом случае интегрирующие звенья заменяются звеньями с бесконечно большим коэффициентом уси­ления (бесконечно большая чувствительность). Статические ха­рактеристики приборов в общем случае отображают нелинейные связи между входными и выходными сигналами.

Если xi и yi, — входной и выходной сигналы i-гo звена, то ста­тическая характеристика его будет

yi = Fi(хi)

При последовательном, параллельном согласном и параллельном встречном соединениях звеньев y1 = F1(х1), y2 = F2(y1), …, yn = Fn(yn-1) соответственно получаем

Динамические свойства прибора оцениваются дифференциальными уравнениями, передаточными функциями, им­пульсными переходными функциями или частотными характери­стиками.

Свойства системы при прохождении сигналов описываются ли­нейными дифференциальными уравнениями вида

где ;

Характеристика прибора

называется интегро-дифференциальным оператором.

Для изучения свойств прибора и его реакции на входной сиг­нал применяют косвенные методы, сводящиеся: к оценке реакции прибора на стандартные входные сигналы: единичная функция 1(t), единичный импульс d(t), экспоненциальный сигнал е-рt и гармонический сигнал е-jwt, где р — оператор пре­образования Лапласа.

Реакция прибора на сигнал d(t), которую обозначим через h(t), будет

где hi — постоянные числа;

li — корни характеристического уравнения А(l) = 0, которые для простоты предполагаются некратными.

Функция h(t) называется импульсной переходной или весовой функцией прибора. Если h(t) известна, то реакция прибора на произвольный сигнал x(t) будет

Нередко вместо весовой функции h(t) рассматривают переход­ную функцию g(t) как реакцию прибора на единичную функцию 1(t), равную нулю при t<0 и единице при t ³ 0. Поскольку 6(0 =d\ (t)/dt, то h(t) =dg(t)/dt и, следовательно,

Функция W(p) оператора р Лапласа называется передаточной функцией прибора. Видно, что она является преобразованием Лапласа импульсной переходной функцией.

где

Функция W(jw) называется комплексной частотной характери­стикой прибора. Она может быть представлена в виде

где Н(w) = | W(jw) | — амплитудно-частотная характеристика прибора;

y(w)=arctg[Im{W(jw)}/Re{W(jw)}] — фазочастотная характеристика прибора, равная arctg отношения мнимой к вещественной части W(jw).

Таким образом, для описания свойств прибора как линейного преобразователя можно воспользоваться дифференциальным урав­нением или эквивалентными уравнению характеристиками прибо­ра: интегро-дифференциальным оператором, весовой или переход­ной функциями, передаточной функцией и комплексной частотной характеристикой. Знание одной из этих характеристик достаточно для получения всех остальных (в том числе и дифференциального уравнения). Указанные характеристики являются функциями пре­образования линейных приборных систем.

Рекомендуемая литература

1. [1]; 2. [2]; 3. [3]; 4. [4]; 5. [5]; 6. [10]; 7. [11].

Контрольные задания для СРС (тема 3) [1-5, 10, 11]

1.  Преобразование сигналов.

2.  Динамические погрешности.

Тема 4. Условия эксплуатации, внешние воздействия на прибор и их влияние на конструкцию приборов. (1 час)

План лекции:

1.  Внешние факторы, влияющие на работоспособность электронной аппаратуры;

2.  Объекты установки электронной аппаратуры;

3.  Требования, предъявляемые к конструкции.

Условия эксплуатации ЭА и систем характеризуются комплексом па­раметров, называемых внешними воздействующими факторами, которые имеют различную физико-химическую природу и изменяются в весьма ши­роких пределах. Эти факторы принято разделять на климатические, механи­ческие и радиационные.

К климатическим факторам относят: изменение температуры и влаж­ности окружающей среды; тепловой удар; изменение атмосферного давле­ния; наличие движущихся потоков пыли или песка; присутствие активных веществ в окружающей атмосфере; наличие солнечного облучения, грибко­вых образований (плесень), микроорганизмов, насекомых, грызунов; взры­воопасной и легковоспламеняющейся атмосферы; дождя и брызг; присутст­вие в окружающей среде озона.

К механическим факторам относят: воздействие вибраций, ударов, линейного ускорения, акустического удара.

К радиационным факторам относят: космическую радиацию; ядерную радиацию от реакторов, атомных двигателей, радиационно-опасных ситуа­ций; облучение потоком гамма – фотонов, нейтронов, бета – частиц, альфа-частиц, протонов, дейтронов.

Некоторые из перечисленных факторов могут проявлять себя незави­симо от остальных, а некоторые — в совместном действии с другими фак­торами. Например, наличие движущихся потоков песка неизбежно приводит к возникновению вибраций в элементах конструкции ЭА.

Важное влияние на работоспособность ЭА оказывает человеческий (субъективный) фактор. Квалификация специалиста сказывается на качестве работы ЭА на всех этапах ее жизненного цикла. Несоблюдение правил проектирования, изготовления и эксплуатации ЭА приводит в конечном итоге к снижению их качества. Известно, что в ряде случаев число отказов аппаратуры увеличи­вается с ростом частоты осмотров и ремонта. Внедрение автоматизации на всех этапах создания ЭА уменьшает влияние человеческого фактора.

Объекты установки электронной аппаратуры. Характер и интенсивность воздействия климатических, механических и радиационных факторов зависят от тактики использования и объекта, на котором эксплуатируется ЭА. По виду объекта установки ЭА можно разде­лить на три большие группы: стационарные, транспортируемые и портатив­ные.

Стационарная ЭА — это аппаратура, эксплуатируемая в отапливае­мых и неотапливаемых помещениях, бункерах, подвалах, помещениях с по­вышенной влажностью, на открытом воздухе, в производственных цехах (ЭА 1- и 2-й групп). Условия эксплуатации и транспортирования такой аппара­туры характеризуются весьма широким диапазоном рабочих (-50...+50 °С) и предельных (-50...+65 °С) температур, влажностью до 90...98 %, вибрацией до 120 Гц при 4...6 g, наличием многократных (до 5 g) и одиночных (до 75 g) ударов, воздействием дождя до 3 мм/мин и соляного тумана с дис­персностью капель до 10 мкм и содержанием воды до 3 г/м.

Транспортируемая ЭА — это аппаратура, устанавливаемая и экс­плуатируемая на автомобилях и автоприцепах, железнодорожном и гусе­ничном транспорте, на судах различных классов (ЭА 3-, 4- и 5-й групп), на борту самолетов, ракет, космических аппаратов искусственных спутников Земли (бортовая ЭА — 8-я группа). Специфика работы этого вида аппарату­ры предопределяет повышенное воздействие механических факторов.

Портативная ЭА (6- и 7-я группы) включает микрокалькуляторы, ЭВМ типа «ноутбук», специализированные вычислители, находящиеся в распоряже­нии геолога, топографа, строителя, солдата и офицера армии и др. Сюда же мож­но отнести переносную радиприемную и радиопередающую аппаратуру, неболь­шую медицинскую технику и т. д. Небольшие габариты, малая мощность по­требления, высокая надежность и сравнительно небольшая стоимость делают этот класс аппаратуры незаменимым для проведения расчетов, не требующих слож­ного программирования, осуществления экспериментов и исследований и т. д.

Требования, предъявляемые к конструкции ЭА.

Вновь разрабатываемая ЭА должна отвечать тактико-техническим, конструктивно-технологическим, эксплуатационным, надежностным и экономическим требованиям. Все эти требования взаимосвязаны, и оптималь­ное их удовлетворение представляет собой сложную инженерную задачу. Кроме того, эти требования должны отвечать рекомендациям соответст­вующих государственных стандартов. Все эти требования содержатся в ТЗ на разрабатываемую ЭА.

Тактико-технические требования включают, в первую очередь, тре­бования к параметрам ЭА, характеризующим ее потребительские качества. Эти требования в основном удовлетворяются на ранних стадиях разработки ЭА, когда определяется состав аппаратуры, ее структура, требования к от­дельным устройствам и т. д. Учитывая необходимость работы будущей ЭА в составе управляемой ею системы, необходимо предусмотреть их техническую, программную, информационную и эксплуатационную совместимость.