ИЗМЕРЕНИЯ • Виды помех и способы их описания При измерениях и обработке физических сигналов наряду с полезной составляющей в отсчете всегда присутствуют преобразование неэлектрической величины в электрическую форму преобразование сигнала в цифровую форму; - линейные и нелинейные вторичные преобразования для получения необходимого вида измеряемой величины; флуктуацией самого сигнала , в его неэлектрической форме , зависящей от физического состояния оборудования Все преобразования сигнала при измерении осуществляются преимущественно аппаратным способом, и каждое из них вносит свою долю в погрешность. Кроме того, измеряемый сигнал, как правило, взаимодействует с другими сигналами и подвергается их влиянию. ;
• В информационно измерительных системах (ИИС), принцип действия которых основан на взаимодействии электронных измерительных и управляющих устройств, основным источником помех являются электромагнитные процессы, протекающие в самих устройствах и передающих линиях. • Уровень помех, реально существующий в ИИС, — один из основных показателей ее качества. Некоторые виды помех, например помехи в виде колебаний на радиочастоте, могут быть уменьшены или исключены с помощью различных приемов, включая фильтрацию, а также тщательное продумывание расположения линий связи и электронных устройств. • Действие помех не всегда может быть скомпенсировано аппаратными средствами и методическими приемами в процессе измерения.
Существуют помехи принципиально неустранимые, такие как флуктуации самой измеряемой величины в зависимости от изменения внешних условий измерения. Поэтому для анализа характера помехи при обработке измеренной реализации всегда необходим этап предварительного анализа, на котором применяются дополнительные методы для выделения полезной составляющей и учета действия помех В цифровых системах измерения все сигналы представлены в виде отдельных временных отсчетов, зафиксированных в регистрах с ограниченной разрядностью.
• Для того чтобы учитывать действие помехи, необходимо понимать причины и механизм ее возникновения и анализировать возможность ее устранения или уменьшения. • Задача организации измерения в условиях действия помех зачастую является крайне сложной и зависит от целого ряда конкретных условий проведения измерений • В механизме возникновения и действия помех можно выделить типовые ситуации и закономерности, которые позволяют классифицировать помехи по разным признакам и выработать рекомендации по их учету и устранению. • Представление помехи в виде некоторого типового сигнала
Полученная реализация измерений представляет собой дискретный во времени и квантованный по уровню сигнал. Погрешности цифрового представления информации являются непременной составной частью общего сигнала помехи, Таким образом, в фиксируемой реализации физического сигнала среди его компонентов выделяют два: полезная составляющая и помеха **, полезная составляющая может быть отнесена к некоторым типовым сигналам. Основной задачей любого измерения является получение реализации полезного сигнала с требуемой точностью.
Представление помехи в виде некоторого типового сигнала позволяет теоретически обосновывать и анализировать способы ее устранения, применяя известные теоретические положения Например, основные теоретические результаты по оценке точности цифровых измерений случайной составляющей получены для нормального закона распределения вероятности. Анализ закона распределения или его параметров и подтверждение предположения о нормальности дают возможность применить эти результаты на практике. Помеха, так же как и полезный сигнал, может быть многокомпонентным сигналом и сочетать в себе различные типы процессов. Обычно помеху в виде детерминированной монотонной или медленно изменяющейся функции времени называют временным дрей фом или трендом, а случайную составляющею помехи — шумом
Тренд В качестве помехи могут рассматриваться также детерминированные периодические процессы Тренд— сигнал, описываемый медленно или монотонно изменяющейся детерминированной функцией времени. Это низкочастотные процессы, для описания которых часто используются полиномы не выше 4 го порядка или специальные нелинейные приближения Получить представление о виде тренда можно, применив любой метод сглаживания процесса, например метод скользящего среднего. Возникновение трендов связано с накоплением результата влияния постоянно действующих факторов, например температуры окружающей среды или методических погрешностей в измерительных устройствах.
• • Периодические или почти периодические сигналы, Такие сигналы составляют детерминированную колебательную компоненту помехи, характеризуются тем, что их мощность сосредоточена на определенных частотах. Спектральная плотность мощности (СПМ) такой компоненты имеет дискретный линейчатый вид. При этом гармонический сигнал имеет СПМ в виде одной линии на заданной частоте. Такие компоненты, как правило, возникают при наличии связи полезного сигнала с другими периодически повторяющимися сигналами. Например, периодическими могут быть наводки от питающего напряжения или периодически действующих импульсных сигналов.
Случайная составляющая помехи (шум) ШУМ случайный процесс с некоторым законом распределения вероятности ординат и частотным спектром. Частный случай —это идеальный случайный процесс с нормальным распределением независимых ординат. Помеху такого вида называют «белым» шумом, ее СПМ имеет приближенно равномерный характер в широком диапазоне частот. Помеху с СПМ, отличной от равномерной, часто называют «цветным» или «окрашенным» шумом. Описание помехи в виде случайного процесса принято для анализа помехи, возникающей в результате действия целого ряда известных причин, а также для описания неучтенных, неустранимых или неизвестных исследователю факторов, действующих во время измерений. Если сигнал помехи можно описать как типовой, то для его анализа можно применить как экспериментальные, так и теоретические методы
Для проведения теоретического анализа и изучения свойств помех существенным является также деление сигналов на непрерывные и дискретные. Непрерывные временное сигналы помехи возникают в аналоговой части системы или экспериментальной установки, Дискретные — в цифровой части системы в результате обработки или являются таковыми по физической сути. ИНОГДА одно и то же «паразитное» напряжение, искажающее полезный сигнал и ухудшающее функционирование электронного устройства, называют шумом, наводкой или помехой.
Всякому электронному устройству присущи: шумы — «паразитные» напряжения, возникающие вследствие физических процессов, происходящих в его комплектующих элементах и характеризующиеся сложной временной и спектральной зависимостями; такой сигнал имеет, как правило, случайный характер; наводки — «паразитные» напряжения, возникающие вследствие «паразитных» эл. связей между различными приборами, объединенными общим источником питания, общей энергетической сетью, общими измерительными, приемопередающими линиями связи и характеризующиеся определенной временной и спектральной зависимостями; наводки могут иметь вид постоянно действующих, медленно меняющихся или колебательных сигналов; помехи — «паразитные» напряжения, возникающие при воздействии физических полей различных внешних источников и характеризующиеся как случайные функции времени.
Обобщающим понятием «паразитных» напряжений, возникающих в информационно измерительных системах, является понятие «помеха» . Помеха создается физической величиной, не измеряемой данной ИИС, но влияющей на результат измерения интересующей физической величины.
Обработка и анализ экспериментальных данных. Понятие точности и наиболее вероятных искомых данных Дисциплина «ЦТ» является той областью, для которой перед экспериментатором открываются проблемы на стыке многих областей знаний и дисциплин – электроники, ЦОС, математического моделирования и программного сопровождения измерений, широкоим кругом проблем различных оптических проявлений. В основе всех оптических измерений лежат: поглощение, отражение (рассеяние), вторичное свечение (флуоресценция, фосфоресценция, комбинационное и другие виды рассеяния, лазерное излучение, генерация гармоник и т. д. ). При этом объекты исследований могут характеризоваться различными вибронными спектрами: линейчатыми, диффузными, смешанными.
ПОГРЕШНОСТИ Тип спектра определяет специфику измерений, подбор аппаратуры и методов обработки результатов. Любые измерения не могут быть абсолютно точными. При измерениях всегда получается результат с некоторой погрешностью (ошибкой). Измеренная величина всегда отличается от истинного ее значения на величину систематической и случайной погрешностей. Систематическими называются погрешности, которые при многократных измерениях, проводящихся одним и тем же методом с помощью одних и тех же измерительных приборов, остаются постоянными.
Случайными называются погрешности, которые при многократных измерениях в одинаковых условиях изменяются непредсказуемым образом. В процессе измерения оба вида погрешностей проявляются одновременно, и погрешность измерения можно представить в виде суммы: δ случайная, а θ систематическая погрешности. Оценкой истинного значения является среднее арифметическое Х из результатов отдельных наблюдений Xi, Часто бывает полезно найти величину, выражающую средний разброс результатов. Математически она определяется в виде:
Часто бывает полезно найти величину, выражающую средний разброс результатов. Математически она определяется в виде: Более важная величина, характеризующая точность измерений, называется стандартным отклонением от среднего значения σХ и получается путем усреднения квадратов отклонений. Квадрат стандартного отклонения σ2 называется дисперсией, определяемой выражением: При количестве измерений К ∞ определяемое значение дает истинную величину, при К конечного размера наиболее вероятное значение дается при минимальном значении суммы квадратов отклонений: При нормальном распределении значений измеряемых величин (Гауссовом распределении) эта величина принимает среднеарифметическое значение.
• Среднеквадрати ческое отклоне ние— в теории вероятностей и статистике наиболее распространённый показатель рассеивания значений случайной величины относительно её математического ожидания. Измеряется в единицах измерения самой случайной величины. • СКО равно корню квадратному из дисперсии случайной величины Среднеквадратическое отклонение используют при расчёте стандарной ошибки среднегоарифметического, при построении доверительных интервалов, при статистической проверке гипотез, при измерении линейной взаимосвязи между случайными величинами. • Среднеквадратическое отклонение: • Стандартное отклонение –это оценка среднеквадратического отклонения случайной величины x относительно её математического ожидания на основе несмещенной оценки ее дисперсии):
дисперсия — i й элемент выборки где объём выборки среднее арифметическое выборки : Следует отметить, что обе оценки являются смещёнными. В общем случае несмещенную оценку построить невозможно. Однако оценка на основе оценки несмещённой дисперсии является состоятельной. Правило
Правило трёх сигм ( ) — практически все значения нормально распределенной случайной величины лежат в интервале . Более строго — приблизительно с 99, 73 % вероятностью значение нормально распределенной случайной величины лежит в указанном интервале (при условии, что величина истинная, а не полученная в результате обработки выборки). Если же истинная величина неизвестна, то следует пользоваться не , а s. Таким образом, правило трёх сигм преобразуется в правило трёх s.
Современный подход к организации измерений • • • • В основе организации любых измерений, претендующих на более менее адекватное отражение измеряемой величины, должны быть заложены следующие операции: выбор методики измерения; аппаратная реализация методики; разработка алгоритма обработки получаемой информации, разработка алгоритма получения и анализа погрешностей измерений; разработка программ тестирования оборудования и программы обработки информации и визуализации полученных результатов. Остановимся на современном подходе к решению задачи « аппаратной реализации измерений» При выборе конкретной аппаратуры рассматриваются следующие моменты: возможность реализации на ней выбранной методики измерений; точность и диапазон получаемых результатов; возможность агрегатирования всех узлов, блоков установки в одну измерительную систему, совместимую с ПК ; возможность сквозной синхронизации блоков; гибкая архитектура, с возможностью быстрой модернизации и приращения функциональных узлов; стоимость оборудования. Метрологическое обеспечение
Модульная платформа PXI • • Одним из подходов к решению задачи « аппаратной реализации измерений» , оптимизированный по выбору, связан с применением, так называемой, архитектуры блочного построения с на базе платформы PXI Модульная платформа PXI предназначенная для создания многофункциональных и высокопроизводительных автоматизированных измерительных систем. В основе PXI платформы лежат стандартные компьютерные технологии: шина PCI/PCI Express, процессор и периферийные устройства. Архитектурно PXI состоит из шасси, в которое устанавливаются модульные приборы, контроллеры или интерфейсы для удаленного управления платформой. Стандарт PXI. • Магистраль модульной измерительной системы (ММС) в стандарте PXI (PCI extensions for Instrumentation) предложенная фирмой National Instruments в 1997 г. , является расширением шины PCI для измерительной аппаратуры. Основными характеристиками PXI систем являются стандартное и совместимое с другими ММС программное обеспечение для Windows NT/95, PCI архитектура основной магистрали, семь слотов расширения в одном крейте, защищенный промышленный конструктив, встроенные функции синхронизации и тактирования, портативное, настольное и стоечное исполнение. • • .
• В стандарте PXI совмещаются современные технологии промышленных стандартов для построения измерительно управляющих систем и систем автоматики. Магистральная архитектура в стандарте PXI базируется на использовании шины PCI. Специальные измерительные дополнения, включающие встроенные триггеры и локаль ную шин)', заимствованы у магистрали. VXI bus. Системная магистраль PXI имеет конструктивную, электрическую и информационную совместимость с модулями Compact. PCI, которые производятся более 300 фирмами и могут быть использованы в РХ 1 системах. Однако не все модули PXI могут использоваться в системах Compact. PCI, так как шина PCI является подмножеством шины PXI. • Конструкция и размеры крейта определяются стандартом «Евро механика» и спецификацией Compact PCI с механическими характе ристиками, удовлетворяющими промышленным условиям эксплуа тации. Спецификация стандарта. PXI оговаривает дополнительные требования по активному охлаждению, температурному диапазону и электромагнитной совместимости, что обеспечивает повышенные помехозащищенность и точность системы в целом. Внешний вид PXI системы приведен на рис
Внешний вид РХ 1 -сиетем различных модификаций Архитектура платформы PXI/PXI Express
Пустое шасси PXI-платформы NI PXIe 1065. Шасси • позволяет разместить 17 модульных блоков. Первые 4 позиции • предназначены для контроллера. Рис. 17. 5 отражает компоновку платформы измерительными блоками. Внешний вид PXIплатформы NI PXIe 1065
Компановка 17 –ти слотового крейта Евростандарта Открытая модульная архитектура. Возможность синхронизации как модулей, так и отдельных шасси Надежный форм фактор. Более 1500 измерительных модулей (от постоянного тока до 26. 5 ГГц). Стандартные компьютерные технологии и интерфейсы ввода/вывода. До 17 измерительных модулей в одном шасси. Полная совместимость платформ PXI/PXI Express и Compact PCI Пропускная способность до 2 ГБ/с на каждый слот, слота системного контроллера до 6 ГБ/с. • Разработка детерминированных приложений под управлением ОС реального времени. • Программирование с помощью Nl Lab. VIEW, Nl Lab. Windows/CVI, Measurment Studio, . NET, Visual Basic, C/ C++. • • •
Скачать презентацию ИЗМЕРЕНИЯ Виды помех и способы их описания
Present L2_15-aaaa -Izmerenie.pptx