Диссертация (1105240), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Методика измеренийБлок-схема системы управления установкой представлена на рис. 2.6.Управление установкой и запись данных осуществляется с компьютера припомощи специально разработанной программы. Выходное напряжение фотодетекторов оцифровывается 18-ти битной платой АЦП National InstrumentsNI-6280. Данные с АЦП считываются с частотой дискретизации 50 кГц. Рядом с камерой установлен микрофон, позволяющий производить запись акустического фона в лаборатории. Также в ходе измерений при атмосферномдавлении производится запись значений с установленного в камере цифрового датчика температуры и влажности.Для поддержания рабочей точки интерферометра в процессе измеренийна одну из пьезоподач подвижного зеркала подается напряжение с регулируемого источника питания, имеющего интерфейс управления с компьютера.Это позволяет автоматически подстраивать интерферометр с использованием цифровой цепи обратной связи.
Первый этап измерений заключается ввозбуждении осциллятора так, чтобы амплитуда колебаний точек пластины, от которых отражаются лучи, превысила λ/8. При этом измеряютсяэкстремальные значения выходного напряжения фотодетектора Umax и Umin .Исходя из этих значений, вычисляется функция видности интерферометраν. После этого настраивается рабочая точка интерферометра и измеряетсяего отклик на изменение напряжения, подаваемого на пьезоподачу, и, таким образом, коэффициент обратной связи. Во время проведения основныхизмерений, программный модуль цифровой обратной связи постоянно отслеживает величину разности выходных напряжений фотодетекторов U1 − U2 свременем усреднения 0.5 c. Когда модуль разности превышает предзаданноепороговое значение, измерения останавливаются, производится подстройкаинтерферометра путем изменения подаваемого на пьезоподачу напряженияна соответствующую величину, затем измерения возобновляются.
Пороговое38значение выбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, интерферометр все время находится близко к рабочей точке, где его отклик почтилинейный, с другой стороны так, чтобы длительность непрерывного потокаданных была достаточно велика. При пороговом значении разности напряжений Uth ≈ 0.01(Umax − Umin ) длительность непрерывного сегмента данныхдостигала ≈ 104 c.Для того чтобы записывать данные измерений и иметь возможностьмаксимально быстро переключить экспериментальную установку в заданныйрежим работы, был разработан комплект программного обеспечения, реализованный на языке программирования C++ с использованием библиотекQt51 .
Программа осуществляет управление установкой, проведение и записьизмерений и последующую обработку результатов.Принцип работы программы следующий: перед началом измерений проводятся вспомогательные измерения и установка параметров цифровой цепиобратной связи, поддерживающей интерферометр вблизи его рабочей точкии задается режим работы источника высокого напряжения. Непосредственноизмерение заключается в записи оцифрованных с заданной частотой дискретизации значений напряжений на фотодетекторах и переменного напряжения,поступающего на аудио-усилитель, в файл на жестком диске компьютера вспециальном бинарном формате.
В заголовке файла записывается общая информация об измерении: время начала измерения, температура/влажность вкамере (при проведении измерений при атмосферном давлении), комментарии экспериментатора к измерению и.т.д. Каждому отрезку времени, в течение которого непрерывно проводится запись данных, соответствует блокв файле. В заголовке блока записаны частота дискретизации данных, времяначала записи блока, значение напряжения на электродах актюатора и.т.д.Затем следуют по-канальные данные.В процессе измерений вычисляются средние значения напряжений за1Qt 5.7.0 Opensource Edition.
http://www.qt.io - The Qt Company39заданный промежуток времени (типичное значение 0.5 с), которые используются для поддержания рабочей точки интерферометра, вычисляется спектрсигнала в заданном диапазоне частот, амплитуда сигнала на заданной частоте (например, на резонансной или на частоте переменного напряжения) иоценка плотности распределения заряда на поверхности пластины осциллятора.
Таким образом, в процессе измерений вычисляется только минимальныйнабор физических величин, необходимых экспериментатору для планирования хода эксперимента, и отображается на экране в графической форме (см.рис. 2.7). Минимальная онлайн обработка данных позволяет производить запись с максимальной частотой дискретизации, ограниченной только характеристиками АЦП и быстродействием компьютера.
Для используемой в эксперименте платы АЦП NI PCI-6280 было выбрано значение 50 кГц. Это значение много больше максимальной частоты, представляющей интерес (126 Гц удвоенная частота осциллятора) и обеспечивает достаточное разрешение резонансного пика в частотной зависимости спектральной плотности мощностифлуктуаций угла поворота пластины осциллятора. Для выполнения требований теоремы Котельникова-Шеннона, на входе АЦП были установлены низкочастотные RC-фильтры с частотой среза 1.6 кГц.Программа управления установкой реализована в виде многопоточного приложения - один поток осуществляет сбор данных с платы АЦП изапись их в файл, другой вычисляет быстрое преобразование Фурье и производит операции по фильтрации сигнала, третий - отображает пользовательский интерфейс, используя библиотеку Qt, и поддерживает TCP сервер дляудаленного управления установкой.
Также посредством unix socket основнаяпрограмма связана с вспомогательной, осуществляющей генерацию синусоидального сигнала заданной частоты, амплитуды и фазы и запись его навыход аудиокарты ПК, таким образом выполняя роль управляемого генератора переменного напряжения.40Рис. 2.7: Снимок лицевой панели программы для управления установкой ипроведения измерений.2.4. Методы цифровой фильтрации и обработкиэкспериментальных данныхБлок-схема процесса сбора и обработки экспериментальных данных представлена на рис. 2.8. В левой части показан блок сбора данных, необходимых для расчета временной зависимости угла поворота пластины осциллятора. Все остальные расчеты осуществляются после завершения измерений.Используя уравнение (2.3) из записанных данных напряжений на фотодетекторах извлекаются временные зависимости угла поворота пластины осциллятора θ(t) и подаваемого на актюатор переменного напряжения UAC (t).Далее методом Уэлча [66] с использованием DFT (дискретного преобразования Фурье) вычисляется спектральная плотность мощности флуктуацийугла поворота пластины осциллятора Sθ (f ).
Для вычисления DFT используется библиотека fftw [67] и специальное окно HFT248D [68], обеспечивающее минимальное влияние соседних частотных ячеек друг на друга (смприложение А.1). Затем, используя модуль механической восприимчивости41Рис. 2.8: Блок-схема цифровой обработки данных измерений.PD1,2 - фотодетекторы, “Генератор” - генератор синусоидального сигнала для электростатического актюатора, DFL - блок цифровой обратной связи. Оранжевыеблоки - аналоговые сигналы, синие блоки - оцифрованные сигналы.
Синимпунктиром обведена часть процесса обработки, выполняемая на ПК (PC).осциллятора (см. ур. (2.4)), вычисляется спектральная плотность мощностифлуктуаций момента сил, действующих на пластину осциллятора. Использование оптимизированной под скорость вычисления библиотеки fftw и разработанной на ее основе программы на C++ позволяет автоматизироватьи существенно ускорить процесс обработки экспериментальных данных посравнению со стандартными решениями, например, с использованием функции pwelch, предоставляемой пакетом Matlab.
Корректность разработаннойC++ программы была проверена путем сравнения результатов с расчетом,выполненном в среде Matlab. Для этого была разработана библиотека QMat,позволяющая экспортировать переменные и массивы из С++ программы вбинарный файл Matlab (см. приложение А.2).Согласно методу Уэлча, сигнал - угол отклонения θ(t) - разбиваетсяна пересекающиеся отрезки времени, каждая из полученных частей сигналаумножается на функцию окна и результат обрабатывается быстрым преобразованием Фурье.
Затем вычисляется модуль спектральной компоненты в каждой из частотных корзинок (фазовая компонента в данном случае не исполь42зуется) и применяются нормировочные коэффициенты (подробнее см. [68]).В случае, если в ходе эксперимента на актюатор также подавалось ипеременное напряжение, методом синхронного детектирования [69] вычисляется зависимость амплитуды вынужденных колебаний осциллятора и, соответственно, вынуждающего момента сил от времени на одинарной и удвоенной частотах переменного напряжения. Эта информация затем используетсядля оценки плотности заряда на поверхности пластины осциллятора (см.
раздел 3.1). Процедура синхронного детектирования включает в себя смешивание входного сигнала с двумя опорными сигналами sin (2πf0 t) и cos (2πf0 t).Для того, чтобы сгенерировать опорные сигналы, частота переменного напряжения f0 должна быть измерена с минимально возможной ошибкой.
Дляэтого необходимо учесть разницу опорных кварцевых генераторов, являющихся часами для платы АЦП и для генератора переменного напряжения.Эта задача также была решена методом синхронного детектирования. Имеяначальную оценку частоты f00 , генерируются опорные сигналы sin (2πf00 t) иcos (2πf00 t). Затем оцифрованный выходной сигнал генератора переменногонапряжения UAC (t) пропускается через цифровой синхронный детектор, навыходе которого получаются сигналы амплитуды U00 и фазы ψ 0 (t) исходногосигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
