Способ определения передаточной функции измерительной системы

 

Изобретение относится к измерительной технике и метрологии и может быть использовано для градуировки и калибровки измерительных систем, в частности гидроакустических и гидрофизических преобразователей. Способ заключается в том, что на вход измерительной системы последовательно подают гармонические сигналы различных частот. Затем измеряют выходные сигналы исследуемой системы на каждой из частот. После чего определяют передаточную функцию путем цифровой обработки дискретных отсчетов выходного сигнала. Особенностью способа является то, что дискретные отсчеты выходного сигнала выбирают с частотой, при которой отношение частоты дискретизации к частоте сигнала является дробным числом, одинаковым для всех частот. При этом длительность анализируемого сигнала задается равной целому числу периодов биений между частотой дискретизации и частотой сигнала. В частном случае отношение частоты дискретизации к частоте измеряемого сигнала можно задать как частное двух чисел из ряда Фибоначчи. Способ позволяет отказаться от операции аналоговой фильтрации, присущей известным способам, и тем самым повысить точность измерений. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к измерительной технике и метрологии и может быть использовано для градуировки и калибровки различных измерительных систем в динамическом режиме, в частности, для определения передаточных функций гидрофизических и гидроакустических преобразователей.

Известен способ определения характеристик передаточной функции измерительных систем [1-5], заключающийся в том, что на вход измерительной системы последовательно подают гармонические сигналы различных частот, измеряют выходные сигналы измерительной системы на каждой из частот и определяют передаточную функцию системы, например, путем цифровой обработки дискретных отсчетов выходного сигнала.

Данный способ может быть реализован в различных областях измерительной техники: в расходометрии [1], тензометрии [2], анемометрии [3], термоанемометрии [4] , в области гидроакустики [5], при определении характеристик четырехполюсников в технике связи и радиотехнике, виброметрии и других.

За прототип принят способ [5], реализуемый в гидротрубе для определения характеристик передаточной функции измерительной гидроакустической антенны в лабораторных условиях.

В прототипе на вход измерительной системы последовательно подают гармонические сигналы различных частот, измеряют выходные сигналы исследуемой системы на каждой из частот и определяют передаточную функцию путем цифровой обработки дискретных отсчетов выходного сигнала. Цифровая обработка дискретных отсчетов входного сигнала измерительной системы (в данном случае гидроакустической антенны) осуществляется при помощи ЭВМ с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), входными противомаскировочными аналоговыми фильтрами и узлами согласования сигналов со входом АЦП.

Недостатком прототипа, как следует из его описания, является работа при постоянной частоте дискретизации без учета частоты измеряемого сигнала. Кроме того, в тракт измерений входит фильтр нижних частот, который, в свою очередь, может являться источником дополнительных погрешностей как при измерении амплитуды, так и, в большей степени, фазы.

Известно, что аналоговые фильтры вносят фазовые искажения, что недопустимо при определении характеристик передаточной функции измерительной гидроакустической антенны в лабораторных условиях. Если обратить внимание на необходимость многоканальных измерений, то суммарная погрешность, возникающая из-за неидентичности амплитудно- и фазочастотных характеристик аналоговых узлов, может достигать значительных величин. В результате появляется дополнительная погрешность, в частности, при определении характеристики направленности измерительной гидроакустической антенны.

Техническим результатом, получаемым в результате внедрения изобретения, является повышение точности измерений за счет исключения операции аналоговой фильтрации, которая, например, при недостаточной стабильности частоты анализируемого сигнала и/или стабильности параметров аналоговых цепей приводит к ухудшению точности измерений.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном способе определения передаточной функции измерительной системы, заключающимся в том, что на вход измерительной системы последовательно подают гармонические сигналы различных частот, измеряют выходные сигналы на каждой из частот и определяют передаточную функцию измерительной системы путем цифровой обработки дискретных отсчетов выходного сигнала, дискретные отсчеты выходного сигнала выбирают с частотой, при которой отношение частоты дискретизации к частоте сигнала является дробным числом, одинаковым для всех частот. При этом длительность анализируемого сигнала задается равной целому числу периодов биений между частотой дискретизации и частотой измеряемого сигнала. Таким образом на целое число отсчетов приходится целое число периодов сигнала.

В частном случае дискретные отсчеты измеряемого сигнала выбирают с частотой, при которой отношение частоты дискретизации к частоте сигнала является отношением двух чисел из ряда Фибоначчи.

Существо способа заключается в следующем. Дискретизацию непрерывного сигнала, в идеализированном представлении, можно рассматривать как произведение гребневой функции, состоящей из последовательности - импульсов и синусоидального сигнала [6]: где Ш(t) - периодическая функция с периодом T, k = 1, 2,...

В этом случае спектральная плотность дискретизированного сигнала имеет вид S() = A(n_c m_g), где _c - частота сигнала, _g - частота первой гармоники сигнала дискретизации, n, m = 1, 2,..., A - амплитуда измеряемого сигнала. Таким образом можно заметить, что если частота сигнала дискретизации совпадает с частотами гармоник измеряемого сигнала, то при переносе спектров происходит наложение паразитных сигналов на измеряемый сигнал. При этом возникают ошибки, известные как ошибки маскировки частот. С другой стороны, если время наблюдения анализируемого сигнала не совпадает с целым числом периодов, то возникает необходимость в использовании весовых функций, которые, в свою очередь, приводят к расширению полосы пропускания измерительной системы во время обработки отсчетов сигнала. Последнее обстоятельство может привести к ухудшению отношения сигнал/шум и снижению точности измерений при фиксированном времени анализа.

Если выбрать частоту дискретизации таким образом, чтобы сигналы комбинационных частот низких порядков с достаточно большими амплитудами не совпадали с измеряемым сигналом, можно исключить входные непрерывные аналоговые фильтры. Последнее обстоятельство способствует повышению точности измерений за счет исключения ошибок фильтра. Необходимую полосовую фильтрацию можно произвести на стадии обработки сигнала цифровым способом. Выбор частоты дискретизации определяется исходя из необходимой точности измерений параметров сигнала [6].

Необходимо иметь в виду, что число обрабатываемых отсчетов, как и число периодов измеряемого сигнала, может быть только целым. Т.о. полностью исключить наложение нельзя. Это связано с тем, что названное отношение не может быть иррациональным числом. С другой стороны, если взять число обрабатываемых отсчетов и число периодов измеряемого сигнала такими, что эти числа будут являться членами ряда Фибоначчи, определяемыми, в свою очередь, таким образом, что каждый последующий член есть сумма двух предыдущих, то возникает следующее свойство. Отношение двух чисел Фибоначчи есть приближение так называемой "золотой пропорции", которая иррациональна. Т.е. в результате возникающие при обработке наложения сигналов не скажутся до более высоких порядков комбинационных частот. Кроме этого, при обработке сигналов при помощи ЭВМ, особенно с ограниченными ресурсами, могут возникать проблемы, связанные с неполным использованием выделенной памяти для отсчетов сигнала. В названном случае ограничение, связанное с двоичной системой счисления ЭВМ, будет несущественным. Это достигается тем, что можно выбрать такие числа из ряда Фибоначчи, при которых общее число обрабатываемых отсчетов будет числом из ряда 2ⁿ [7].

Таким образом, заявленная совокупность признаков способа позволяет повысить точность определения передаточной функции измерительных систем, чем достигается поставленный результат.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР N 1264007, G 01 F 25/00, 1986.

2. Авторское свидетельство СССР N 1413462, G 01 L 27/00, 1988.

3. Авторское свидетельство СССР N 767540, G 01 M 10/00, 1978.

4. Авторское свидетельство СССР N 676928, G 01 P 5/12, 1977.

5. Патент США N 4468760, 367-13 (H 04 R 29/00), 1982.

6. Макс Ж. Методы и техника обработки сигнала при физических измерениях. Т. 1. - М.: Мир, 1983.

7. Стахов А.П. Алгоритмическая теория измерений. - М.: Наука, 1979.

Формула изобретения

1. Способ определения передаточной функции измерительной системы, заключающийся в том, что на вход измерительной системы последовательно подают гармонические сигналы различных частот, измеряют выходные сигналы исследуемой системы на каждой из частот и определяют передаточную функцию путем цифровой обработки дискретных отсчетов выходного сигнала, отличающийся тем, что дискретные отсчеты выходного сигнала выбирают с частотой, при которой отношение частоты дискретизации к частоте сигнала является дробным числом, одинаковым для всех частот, при этом длительность анализируемого гармонического сигнала задается равной целому числу периодов биений между частотой дискретизации и частотой сигнала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение частоты дискретизации к частоте измеряемого сигнала задается как частное двух чисел из ряда Фибоначчи.