Распределённые многочастотные пьезорезонансные датчики физических полей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Партс, Яан Адольфович

• Партс, Яан Адольфович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Партс, Яан Адольфович

Предисловие.

Тема работы - Предыстория - Научные интересы автора - Ограничения работы -Благодарности

Введение.

Своевременность и значимость темы - Цель работы - Задачи работы -Методы исследований - Новизна - Практическая ценность - Реализация результатов -Апробация работы - Публикации - Защищаемые положения — Структура и объем диссертации — Библиографический список

Глава 1. Объект исследования.

1.1. Базовые представления.

1.1.1. Промышленные измерительные системы.

Требования к измерительным системам — Традиционные принципы построения -Интеллектуальные датчики - Ограничения, вносимые промежуточными устройствами обработки — Распределённые датчики - Квазираспределённые датчики

1.1.2. Пьезорезонаторы и многопараметровые измерения.

Пьезорезонансные датчики (ПРД), их особенности - Возможность многопараметровых измерений - Известные многопараметровые ПРД - Пример измерительной системы на цепочке резонаторов - Принцип действия -Подтверждение новизны предлагаемого подхода - Содержание работы

1.1.3. Область применения и конкурентные преимущества.

Прикладная область - Конкурентные преимущества ПРД - Особенности многопараметровых ПРД

1.1.4. План изложения материала.

1.2. Предметная область.

1.2.1. Пьезоэлектрические материалы.

Пьезоэффект - Особенности пьезоэлектриков - Разновидности пьезоэлектрических материалов - Сегнетоэлектрики - Используемые пьезоматериалы — Слабые и сильные пьезоэлектрики

1.2.2. Свойства пьезоматериалов.

Температурные свойства - Кварц - Перспективные пьезоматериалы

1.2.3. Пьезоэлектрические устройства.

1.2.4. Пьезорезонаторы.

Определение - Классификация пьезорезонаторов - Условные обозначения — Виды пьезорезонаторов, особенности их применения - Требования к спектру собственных колебаний

1.2.5. Конструкция резонатора.

Элементы конструкции — Основные определения - Разновидности пъезоэлементов -Камертонные микрорезонаторы

1.2.6. Режимы работы.

Разновидности - Упрощённые схемы включения - Использование на практике

1.2.7. Пьезорезонансные датчики (ПРД).

Определения - Область использования - Особенности - Недостатки

1.2.8. Разновидности ПРД.

Краткая классификация — Виды воздействий - Различные проявления воздействий -Примеры датчиков на основе пьезорезонаторов

1.2.9. Классификация пьезоэлектрических устройств.

1.2.10. Развитие пьезорезонансной техники.

Состояние развития пьезорезонансной техники в целом - Новизна направления многочастотных ПРД

1.3. Характеристики пьезорезонаторов.

1.3.1. Математическая модель.

Разновидности моделей - Режим малых колебаний - Электромеханическая аналогия -Задача Коши - Свободные колебания - Эквивалентная схема - Нагруженный резонатор

1.3.2. Основные параметры.

Параметры эквивалентной схемы — Характерные частоты — Рабочая частота, связь с режимом работы и нагрузкой - Другие параметры резонатора - Комплексная частота - Влияние температуры - Уровень возбуждения

1.3.3. Типовой резонатор.

1.3.4. Спектр собственных частот.

Многочастотность - Обертоны и гармоники - Теоретический ряд частот собственных колебаний

1.3.5. Особенности резонаторов разных частотных диапазонов.

Диапазон частот — Особенности низкочастотных камертонных резонаторов -Особенности высокочастотных резонаторов

1.3.6. Основные характеристики ПРД.

Выходные информативные параметры - Обозначения относительных величин -Диапазон изменения рабочей частоты - Основные характеристики датчиков

1.4. Многочастотные резонаторы.

1.4.1. Общие сведения о многопараметровых измерениях.

Определение многопараметровых измерений - Измерительные задачи - Взаимосвязь распределённых свойств объекта и средства измерения

1.4.2. Пьезорезонаторы и многопараметровые измерения.

К возможности использования пьезорезонаторов - Спектр частот пьезорезонатора - Известные многопараметровые пьезорезонансные датчики - Определение многочастотных пьезорезонансных датчиков (МПРД) - Замечания по понятию «датчик» - Основные характеристики МПРД - Связь резонансных частот и измеряемых величин - Близкие по смыслу понятия

1.4.3. Разновидности МПРД.

Одно- и многопараметровые пьезорезонансные датчики - Классификационные признаки - Конфигурации многопараметровых МПРД - Особенности различных конфигураций - Взаимное соответствие классификационных признаков - Способы получения МПРД

1.4.4. МПРД и распределённые измерения.

Связь МПРД и распределённых измерений - Виды пространственно распределённых многопараметровых МПРД - Замечания по распределённым датчикам -Многопараметровые измерения на одночастотных датчиках

1.4.5. Двухполюсные МПРД.

Тематика работы — Особенности двухполюсных МПРД — Характеристика направления работы — Схемы соединений — Эквивалентная схема

1.4.6. Типовая структура измерительной системы.

Элементы измерительной цепи — Решаемые задачи

1.4.7. Характеристики двухполюсных МПРД.

Показатели информативности — Факторы, влияющие на информативность — Факторы, ограничивающие полосу частот — Максимальное число рабочих частот — Характеристики погрешности — Типовой МПРД температуры

1.5. Постановка задачи.

1.5.1. Проблематика МПРД.

Основная задача МПРД — Направления исследований — Разнообразие задач — Получение измерительной информации — Систематизация задач исследований

1.5.2. Область исследования.

Объект и предмет исследования — Задачи исследования — Основные ограничения области исследования — Обоснование выбранных ограничений — Типовые датчики — Квазираспределённые датчики — Нерассмотренные вопросы — Ограничения работы

1.6. Выводы по главе.

Краткое содержание — Выводы по защищаемому положению — Личный вклад — Числовые оценки

Глава 2. Получение и обработка измерительного сигнала.

2.1. Измерительные цепи и сигналы.

2.1.1. Способы получения измерительного сигнала.

Постановка задачи получения информации МПРД — Общая схема получения измерительного сигнала - Способы возбуждения колебаний - Способы съёма измерительного сигнала - Взаимосвязь возбуждения колебаний и съёма сигнала -Обзор известных способов получения информации МПРД - Проблемные вопросы

2.1.2. Режим автоколебаний (АК).

Преимущества - Схемы включения - Многочастотные автогенераторы - Факторы, ограничивающие точность измерений - Особенности

2.1.3. Режим вынужденных колебаний (ВК).

Принцип действия — Схемы включения - Импеданс измерительного контура — Способы определения резонансных частот — Особенности

2.1.4. Режим свободных колебаний (СК).

Принцип действия - Факторы, ограничивающие точность измерений - Особенности

2.1.5. Выбор режима работы МПРД.

Параметры измерительной системы - Объём измерительной информации — Свойства сигнала возбуждения — Модель измерительного сигнала — Длительность измерений - Максимальная длина соединительного кабеля - Источники погрешности

- Особенности МПРД - Краткое обоснование выбора режима свободных колебаний

2.1.6. Метод получения и обработки измерительного сигнала МПРД.

Описание метода - Схема включения - Модель измерительного сигнала — Ключевые решения

2.1.7. Элементы измерительной цепи.

Цепи возбуждения колебаний и измерения - Состав измерительной цепи -Соединительный кабель - Нагрузка - Элементы коммутации и управления — Аналоговые и цифровые цепи обработки сигнала

2.2. Модели сигнала и помехи.

2.2.1. Используемые модели.

Разновидности моделей сигналов - Классификация - Степени приближения

2.2.2. Система обозначений.

Обозначения моделей экспоненциального класса - Соответствие другим системам обозначений - Использование моделей в рамках направления МПРД - Примеры моделей

2.2.3. Параметры моделей.

Комплексная экспонента - Затухающая синусоида - Многокомпонентная модель -Способы представления параметров - Выбор начального момента времени

2.2.4. Замечания.

Способы нормирования параметров модели - Связь комплексных и вещественных моделей - Идеализация процесса дискретизации - Многочастотные и полигармонические модели - Понятие полюса

2.2.5. Модели шумов.

Виды шумов - Аддитивные шумы - Обозначение аддитивных шумов - Модуляционные шумы

2.3. Возбуждение колебаний.

2.3.1. Исходные положения.

Характеристика задачи возбуждения - Общие требования и ограничения - Способы возбуждения - Особенности возбуждения ПРД и МПРД - Общий подход к решению задачи возбуждения - Постановка задачи оптимального возбуждения - Варианты постановки - Влияющие факторы - Требования к цепи возбуждения -Дополнительные задачи и способы их решения - Принятые ограничения и упрощения

2.3.2. Математическое описание.

Решение задачи Коши для резонатора - Спектр возбуждения - Случай разряженного резонатора - Случай известной резонансной частоты - Возбуждение гармоническим сигналом - Возбуждение при помощи ЛЧМ-сигнала - Учёт затухания - Случай неизвестной резонансной частоты

2.3.3. Малый диапазон частот.

Особенности задачи - Малое затухание — Значительное затухание - Сравнение ЛЧМ и ЭЧМ сигналов возбуждения - Компенсация спада на краях рабочей полосы частот

2.3.4. Широкий диапазон частот.

Особенности задачи - Выбор зависимости уровня возбуждения от частоты - Учёт частотной характеристики ЦАП - Малое затухание - Значительное затухание

2.3.5. Учёт остаточной колебательной энергии резонатора. ИЗ

Варианты постановки задачи - Многократное возбуждение - Синфазное возбуждение - Противофазное возбуждение - Асинхронное возбуждение

2.3.7. Многокомпонентные сигналы возбуждения.

2.3.8. Результаты моделирования.

2.4. Обработка измерительного сигнала.

2.4.1. Задачи обработки сигнала.

Основные задачи обработки сигнала - Взаимосвязь задач обработки -Идентификация - Определение предельных свойств оценок - Детектирование -Определение максимапьного порядка модели - Выбор параметров реализации

Законы распределения величин - Аналоговая и цифровая обработка

2.4.2. Оценивание параметров модели сигнала.

Определение - Выбор модели - Выбор метода оценивания - Показатели качества оценок

2.4.3. Методы оценивания частоты.

Традиционный подход — Классификационные признаки - Классификация методов оценивания частоты - Используемые сокращения - Особенности различных подходов - Замечания по терминологии - План дальнейшего изложения

2.4.4. Оптимальные оценки.

Метод максимального правдоподобия - Свойства оценок максимального правдоподобия - Байесовская оценка

2.4.5. Матричные методы высокого разрешения.

Разновидности - Краткое описание - Основные операции - Вычислительная сложность - Статистическая эффективность

2.4.6. Классические методы на основе БПФ.

Особенности - Разновидности - Основные операции - Интерполяция -Вычислительный алгоритм - Расчётные соотношения - Свойства оценок

2.4.7. Оценивание амплитуд и фаз.

Общий подход - Методы на основе БПФ - Сортировка полюсов в матричных методах

2.4.8. Сравнительный анализ.

Преимущества матричных методов - Требуемые вычислительные ресурсы -Устойчивость — Перспективы использования матричных методов

2.4.9. Рекомендации.

Выбор метода оценивания - Выбор параметров реализации - Обработка множества реализаций

2.5. Условно-несмещённая оценка параметров (CUBE).

2.5.1. Исходные положения.

Проблематика классических методов оценивания частоты - Предлагаемый подход -Определение класса методов CUBE - Модель сигнала - Принятые соглашения -Вычислительная процедура - Особенности - Ограничения - Разновидности -Практические рекомендации - Принципиальная реализуемость - Последовательность изложения материала

2.5.2. Операции дополнительной обработки.

Предварительная обработка сигнала - Окна данных — Окна «обобщенный косинус» -Окна «косинус-квадрат» — Экспоненциальное окно - Дополнение нулями -Последовательность операций

2.5.3. Базовые соотношения.

Последовательность получения расчётных соотношений - Преобразование Лапласа временного окна - Преобразование Фурье временного окна - Преобразование Фурье конечной реализации сигнала - Оценка ДПФ - Оценка комплексной поправки частоты - Оценка амплитуды сигнала

2.5.4. Методы на основе оценки комплексного спектра.

Подкласс CUBE-2C/0 (прямоугольное окно) - Подкласс CUBE-C/S (решение системы уравнений) - Подкласс CUBE-C/F (отношение линейных полиномов) - Подкласс CUBE-C/M (взвешенное суммирование) - Подкласс CUBE-C/W (одновременное введение окна) - Подкласс CUBE-2C/D (удвоенное расстояние между опорными точками) - Подкласс CUBE-2C/G (обобщенное косинусное окно)

2.5.5. Методы на основе частных характеристик спектра.

Особенности задачи - Подкласс CUBE-A (на основе амплитудного спектра) -Подкласс CUBE-P (на основе спектра мощности) - Подкласс CUBE-H (на основе фазового спектра) - Подкласс CUBE-R (на основе вещественной части спектра)

2.6. Выводы по главе.

Краткое содержание - Выводы по защищаемым положениям - Личный вклад

Глава 3. Погрешности измерений.

3.1. Способы описания погрешности.

3.1.1. Вводные замечания.

Задача определения минимальной погрешности - Упрощение задачи

3.1.2. Основные характеристики погрешности.

Ключевые слова — Точечные статистические оценки — Обозначения и расчётные соотношения

3.1.3. Виды погрешности.

Краткая классификация - Особенности описания

3.1.4. Нижние границы.

Связь погрешности и шума измерения - Погрешности методов оценивания -Статистическая эффективность - Решаемые вопросы - Граница Крамера-Рао -Виды границ

3.1.5. Пороговый эффект.

Определение - Способы описания - Источники информации

3.1.6. Предел разрешения.

Разрешение - Определения — Предел разрешения ДПФ - Разрешение двух и более полюсов

3.1.7. Нестабильность частоты.

Кратковременная и долговременная нестабильность - Параметры сигнала - Дрейф -Шумовые процессы — Источники и причины возникновения шумов — Описание во временной области — Отклонение Аллана, его свойства — Обобщения - Точки равенства шумов - Приложение к МПРД

3.2. Влияющие факторы.

3.2.1. Классификация.

Вводные замечания - Классификационные признаки - Основные факторы - План изложения

3.2.2. Температура.

Виды тепловых воздействий - Аппроксимация температурных характеристик -Резонансная частота - Добротность резонатора - Динамическая ёмкость -Воздействие повышенной температуры - Провалы активности — Самонагрев -Гистерезис

3.2.3. Механические воздействия.

Виды — Механизмы воздействий — Механическая прочность и устойчивость - Влияние режима работы — Характеристики - Порядки величин

3.2.4. Старение.

Определение - Причины возникновения - Характер старения - Активное и пассивное старение - Предварительное старение - Порядки величин

3.2.5. Нагрузка резонатора.

Наблюдаемые эффекты - Расчётные соотношения - Максимальный сдвиг частоты - Минимальная добротность измерительного контура - Напряжения и токи в измерительном контуре - Ограничения режимов работы - Длина кабеля -Чувствительность к изменениям нагрузки

3.2.6. Нелинейные эффекты.

Источники нелинейности — Нелинейные эффекты - Проблематика - Нелинейные колебания - Проблема устойчивости - Уровень возбуждения - Зависимость частоты от амплитуды колебаний - Порядки величин

3.2.7. Тепловые шумы.

Источники — Спектральная плотность - Погрешность оценки частоты - Порядки величин

3.2.8. Электромагнитные наводки.

3.2.9. Другие факторы.

Разновидности - Влажность - Давление - Радиация — Магнитное поле - Постоянное напряжение - Скачки частоты - Другие резонансы - Затухание колебаний - Длина реализации - Погрешности градуировки

3.3. Граница Крамера-Рао.

3.3.1. Постановка задачи.

Содержание - Цель - Источники информации

3.3.2. Общая методика определения нижней границы.

Основные определения - Модель сигнала - Информационная матрица - Порядок вычислений - Упрощения

3.3.3. Проблематика.

Исследование нижних границ - Трудности аналитического подхода - Получение обратной матрицы — Способы упрощения задачи - Упрощённые модели сигнала -Точные границы

3.3.4. Одна комплексная экспонента.

Незатухающая модель - Затухающая модель при бесконечной реализации — Относительная эффективность - Затухающая модель при конечной реализации

3.3.5. Две комплексные экспоненты.

Одинаковое затухание - Характер взаимного влияния - Различное затухание

3.3.6. Порог и предел разрешения.

Общее решение - Частные случаи - Предел разрешения

3.3.7. Примеры расчётов.

Интерпретация формул — Расчётные соотношения - Связь комплексных и вещественных сигналов — Типовой резонатор

3.4. Погрешности обработки сигнала.

3.4.1. Источники погрешности.

Методические и аппаратурные погрешности - Источники методических погрешностей - Причины возникновения

3.4.2. Погрешности модели сигнала.

Основания для упрощения модели - Связь с методами оценивания - Проблематика -Учёт известных параметров — Учёт влияющих факторов - Модель сигнала МПРД

3.4.3. Погрешности метода оценивания.

Методы на основе БПФ - Статистические свойства - Защитный интервал частот

Оценкиещения ик.о. - Методика определения защитного интервала

3.5. Числовые оценки.

3.5.1. Порядки величин.

Сводная таблица относительных частот - Рассмотренные устройства и факторы

Предварительные оценки

3.5.2. Нестабильность МПРД.

Графики нестабильности - Границы погрешности - Внешние воздействия -Особенности графиков - Интерпретация - Выводы

3.6. Способы уменьшения погрешности.

3.6.1. Замечания общего характера.

Обеспечение высокой точности измерений - Общие требования и подходы - Связь добротности и быстродействия МПРД

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Партс, Яан Адольфович

5.6. Выводы по главе. 254

Краткое содержание - Выводы по защищаемому положению - Личный вкчад

Краткое содержание - Выводы по защищаемым положениям - Личный вкчад -Новизна - Практическая ценность - Заключение о достижении цели работы

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Партс, Яан Адольфович, 2011 год

1. Л1. Авторские публикации по теме диссертации.257

2. Л1.1. Публикации в журналах ВАК. 257

3. Принцип действия МПРД Границы Крамера-Рао1. Л1.2. Статьи. 257

4. Методы оценивания частоты — Пороговый эффект — Системы измерения температуры1. Л1.3. Патенты. 258

5. Измерение распределения температуры Измерение уровней раздела сред

6. Л1.4. Материалы конференций. 258

7. Измерение распределения температуры Измерение уровней раздела сред -Распределённые измерения

8. Л2. Отечественная или переводная литература. 259

9. Л2.1. Измерение физических величин. 259

10. Метрология, нормативная документация Методы измерений - Распределённые измерения - Измерение температуры

11. Л2.2. Пьезоэлектрические устройства. 260

12. Пьезоматериалы Пьезоэлектрические резонаторы - Кварцевые генераторы -Пьезорезонансные датчики — Многочастотные датчики и генераторы

13. Л2.3. Элементы измерительной цепи. 262

14. Схемотехника, защита сигналов Соединительные кабели, их параметры, расчёт -Высокотемпературная радиоэлектроника

15. Л2.4. Теория колебаний и динамический хаос. 262

16. Л2.5. Обработка сигналов. 263

17. Теория аналоговых сигналов — Спектральный и корреляционный анализ временных рядов — Статистический анапиз — Методы оценивания параметров — Цифровая обработка сигналов1. Л2.6. Математика. 264

18. Целочисленная арифметика Быстрые алгоритмы - Численные методы - Линейная алгебра - Справочники по математике

19. Л2.7. Оформление диссертации. 265

20. ЛЗ. Зарубежная литература. 266

21. Л3.1. Методы оценивания частоты на основе БПФ. 266

22. Классические методы на основе интерполяции отсчётов БПФ (ШБТ) — Методы на основе сдвига фаз БПФ двух реализаций (Т¥РА) Временные окна данных -Частотно-временной анализ с использованием производных БПФ - Неклассические поисковые методы на основе БПФ

23. Л3.2. Матричные методы оценивания частоты. 267

24. Методы линейного предсказания (с факторизацией полинома) Статистический анализ и сравнение методов линейного предсказания - Методы на основе матричного пучка - Обзоры по моделям сигнала и методам оценивания частоты

25. ЛЗ.З. Квазиоптимальные методы для незатухающей модели. 269

26. Методы задачи определения направления приема (БОА) Статистический анапиз методов БОА

27. Л3.4. Оценивание параметров квазигармонических моделей. 270

28. Окрашенный негауссов шум Вещественные экспоненты (МЕ) - Задержанныекомплексные экспоненты (ОСЕ) Полигармонические модели (НСЕ) — Сигналы слинейной частотной модуляцией (LFCS) Сигналы с полиномиальной фазой (РРСЕ) JI3.5. Вычислительные алгоритмы. 271

29. Быстрое преобразование Фурье Разложение матриц - Методы оптимизации -Оценивание с использованием предварительной фильтрации

30. JI3.6. Нижние границы Крамера-Рао. 272

31. Комтексные экспоненты Квазигармонические модели - Байесовские оценки

32. JI3.7. Предел разрешения. 273

33. Различимость синусоид — Оценивание порядка модели

34. JI3.8. Пороговый эффект. 274

35. Вероятностный подход Нижние границы Баранкина, Зив-Заки и др. - Обнаружение сигнала

36. JI3.9. Нестабильность частоты. 274

37. Основные определения Обзорные материалы - Дисперсия Аллана (AVAR) -Модифицированная дисперсия Аллана (MVAR) - Общая дисперсия Аллана (Total A VAR) -Дисперсия Адамара (HVAR, Total HVAR) - Дисперсии Theo и др.

38. JI3.10. Основы теории пьезорезонаторов и генераторов. 276

39. Пьезорезонаторы — Кварцевые генераторы — Виды и источники погрешности, порядки величин Фазовые шумы

40. JI3.11. Измерительная аппаратура. 277

41. Аппаратура и программы цифровой обработки сигнала Распределенные измерения -Высокотемпературная электроника (НТ)

42. JI3.12. Аббревиатуры и сокращения в названиях журналов. 278

43. JI4. Электронные ресурсы. 279

44. JI4.1. Производители радиокомпонентов. 279

45. Высокотемпературная электроника Датчики и процессоры цифровой обработки сигнала - Пьезорезонаторы и генераторы - Каротажный кабель

46. JI4.2. Справочные материалы. 279