СРЕДСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ИНФОРМАЦИИ

1. СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Большое разнообразие задач измерения физических величин и обилие конкретных особенностей летного эксперимента обусловили создание большого арсенала аналоговых и частотных датчиков, основанных на целом ряде методов преобразования. Преобразование различных видов электрических сигналов датчиков и нормирование их по диапазонам, удобным для последующей регистрации, осуществляется с помощью измерительных усилителей. Их в практике летных испытаний часто называют согласующими устройствами. Согласующее устройство в комплекте с датчиками и, в случае необходимости, автономными вспомогательными устройствами (например, блоком питания, коммутатором электрических сигналов датчиков) называют измерительной аппаратурой. В свою очередь, совокупность нескольких комплектов измерительной аппаратуры с одним или несколькими регистрирующими устройствами, соединенных между собой каналами связи, называют измерительной системой, которая часто называется бортовой системой измерений.

В ряде видов летных испытаний (например, испытания самолета на прочность) измерение исследуемых параметров связано с усилением входных электрических сигналов весьма низкого уровня. Самолет является источником мощных помех. Поэтому решающим фактором при летных испытаниях является обеспечение электромагнитной совместимости согласующих устройств с объектом исследований, что требует высокой помехозащищенности, сочетающейся с необходимой чувствительностью и точностью измерений. Важным фактором является также многоканальность, а отсюда и требование минимизации габаритных размеров при максимальных удобствах эксплуатации. Поскольку в практике летных испытаний наиболее распространены датчики, имеющие аналоговые и частотные выходы, а аппаратура точной магнитной записи имеет аналоговые, частотные и цифровые входы, основными методами преобразования в согласующих устройствах являются соответственно: аналоговые, частотные, аналого–цифровые и частотно–цифровые методы преобразования (рис. 1).

Рис. 1. Классификация согласующих устройств для летных испытаний.

Согласующие устройства, основанные на аналоговых методах преобразования, являются традиционными, наиболее отработанными и поэтому более многочисленными. Ниже рассмотрены варианты построения аналоговых согласующих устройств.

Усилитель переменного тока предназначен для преобразования малых токов в напряжение. Помехоустойчивость его низкая, из-за этого мал динамический диапазон. Основное достоинство – простота схемы.

Усилитель заряда обеспечивает изменение выходного напряжения пропорционально изменению электрического заряда, приходящего на его вход.

Обе схемы усилителей широко применяются для усиления соответствующих сигналов от пьезоэлектрических датчиков виброускорений и давлений. Причем усилитель заряда резко уменьшает погрешности измерения, вызываемые нестабильностью емкости соединительной линии. Применение дополнительного входного каскада на транзисторах и конденсаторах цепи обратной связи с малыми утечками позволяет строить усилители заряда с нижней частотой полосы пропускания в десятые доли герца. Усилители заряда находят применение также в сочетании с другими датчиками, имеющими в качестве выходной величины электрический заряд, например, с конденсаторными микрофонами, измеряющими уровни звуковых давлений.

Усилители с модуляцией и демодуляцией сигналаусиливают медленноменяющееся напряжение в переменное с последующим усилением и фазочувствительным выпрямлением этого напряжения. По такой схеме построены некоторые низкочастотные тензометрические согласующие устройства. Схема проста в реализации. Однако ей присуща слабая помехозащищенность и значительные помехи. Поэтому подобные усилители не получили широкого применения.

Сравнительно помехоустойчивыми являются согласующие устройства, построенные на усилителях с гальванически развязанными цепями питания и усилителях с дифференциальным входом. Гальваническая развязка – весьма эффективный метод борьбы с помехой общего вида. Усилители с дифференциальным входом в интегральном исполнении позволяют более простыми путями решить задачу повышения помехоустойчивости согласующих устройств. Подобные усилители получили применение для измерения статодинамических процессов. При больших коэффициентах усиления эти методы преобразования можно применять для измерения динамических процессов. К недостаткам этих методов следует отнести наличие помехи нормального вида.

Наиболее широко применяется в согласующих устройствах метод дискретной фильтрации сигнала. Он основан на получении дискретных выборок полезного сигнала и их суммирования с весовыми коэффициентами. В зависимости от выбора веса и числа суммируемых дискретных значений, можно подавить как низкие, так и верхние частоты, получить тот или иной порядок фильтра. Результирующий сигнал состоит из собственно полезного сигнала и четных гармоник помех. Основная и все нечетные гармоники помех оказываются полностью подавленными. Принцип построения согласующего устройства следующий. Датчики, включенные в схему измерительного моста, питаются напряжением прямоугольной формы, этим самым меняется знак коэффициентов. Сигнал разбаланса моста усиливается, величины коэффициентов устанавливаются в блоке масштабных коэффициентов. Далее осуществляется суммирование выборок. В фильтре нижних частот отфильтровываются оставшиеся четные гармоники помехи и выделяется спектр полезного сигнала. К достоинствам таких согласующих устройств следует отнести, в первую очередь, повышенную помехоустойчивость к разного рода помехам (в том числе от электрочасов, включения приборного оборудования, помех бортсети и т.д.). Аддитивная составляющая погрешности (дрейф нуля) не превышает 0,3 ... 0,5%.

Этот метод можно распространить на более совершенную процедуру усреднения, построенную на применении интегрирования.

В практике летных испытаний известное применение получили согласующие устройства с аналого–цифровыми преобразователями. Предполагается, что аналоговый сигнал непрерывен и подключен к входным шинам на время, достаточное для выполнения операции аналого–цифрового преобразования с требуемой точностью. Некоторые из них основаны на тестовых переходных процессах в измерительных цепях и, в частности, на основе метода постоянной времени. Сущность метода заключается в том, что постоянная времени измерительной цепи, содержащей, например, терморезистор и образцовый конденсатор, преобразуется во временной интервал, заполняющийся стандартной частотой. Временной интервал преобразуется далее в цифровой код. Они линейно и однозначно связаны с сопротивлением терморезистора. Величина временного интервала не зависит от напряжения питания измерительной цепи. Эти свойства являются одним из основных достоинств метода сравнения и его реализации в виде самобалансирующегося моста. Метод позволяет обеспечить высокую точность преобразования. Погрешность в рабочих условиях применения не превышает дискретности, т.е. 0,1%. Широкое применение получили способы отбора измерительных и управляющих сигналов от штатных аналого–цифровых преобразователей в последовательном двенадцатиразрядном коде.

Частотный метод преобразования основан на образовании и формировании последовательности импульсов, частота следования которых пропорциональна измеряемому параметру. Согласующие устройства с частотными методами преобразования являются базовыми высокоточными преобразователями частотной информации при измерении, в основном, частоты вращения ротора газодинамического двигателя и расхода топлива.

Структурная схема измерительной аппаратуры базируется на максимальном приближении согласующих устройств к датчикам физических величин, что позволяет сокращать линии связи и передавать информацию по минимальному числу проводов. Информативность измерений обеспечивается путем применения коммутаторов электрических сигналов с параллельными и последовательными каналами коммутации.

Конструктивные решения согласующих устройств определяются, в основном, задачами измерений и элементной базой. Поэтому согласующие устройства в конструктивном и технологическом отношениях могут быть разделены на два класса:

· согласующие устройства, построенные на микроэлектронных функциональных узлах – интегральных микросхемах, закрепленных и скоммутированных на основании – печатной плате,

· согласующие устройства, выполненные на автономных функциональных узлах – микросборках. Последние конструктивно выполняются в герметичном корпусе, в котором, чаще на тонкопленочной плате, смонтированы пассивные и активные бескорпусные элементы.

Оценка работоспособности согласующих устройств в полете основана на автоматическом контроле и идентификации статических и динамических характеристик. Некоторые модели измерительной аппаратуры охвачены сквозным контролем метрологических характеристик.