Приборостроение

Шпаргалки по курсу радиопротиводействия и помехозащищенность

2014-11-13T13:45:37Z

РЛС обнаружения целей. тактико-технические данные

История развития РЭС и средств РЭ подавления и противодействия и РЭ защиты.

РЭС- радиосвязь (локация, телевидение, акустика и т.п.);

РЭ борьба это система мероприятий и действий войск по применению специальной РЭ техники, тактических и технических приёмов для выявления и подавления РЭС и систем управления войсками и оружием противника, и для защиты аналогичных средств и систем от подавления противника.

Составные части РЭ борьбы: РЭП - радиоэлектронное подавление; РЭЗ - радиоэлектронная защита.

РЭП это мероприятия и действия проводимые войсками в бою и операции по дезорганизации или снижению эффективности действия РЭС противника путём воздействия на них электромагнитных или акустических излучений.

РЭП включает в себя создание активных и пассивных РЭ помех, распространение ложных целей, воздействия на среду ЭМ или активных волн и радио дезинформации.

РЭЗ - это совокупность способов и средств, обеспечивающих работу РЭС в условиях воздействия средств радиоэлектронного подавления и специального самонаводящегося оружия противника. Она достигается скрытием РЭС от радиоразведки. Защитой от РЭ помех и от поражения оружием.

РЛС обнаружения цели. Такие РЛС осуществляют обнаружение цели, определение их координат и параметров движения. Аппаратура РЛ опознавания по принципу "свой- чужой".

Полученные данные используются при решении задач целе-распределения и выработки команд для ЗРК, а также наведения истребителей на цели.

Они работают в режиме кругового и секторного обзора пространства.

В зависимости от зондирующего сигнала РЛС делятся на:

1) импульсные;

2) непрерывные;

3) квази-непрерывные

1) В импульсных РЛС используются радиоимпульсы с большой скважностью ; где T_n выбирается из условия однозначного измерения дальности.

В зависимости от обработки отражённых сигналов импульсные РЛС обнаружения делятся на когерентные и некогерентные.

В некоторых РЛС доплеровское смещение частоты не учитывается.

В когерентных РЛС при обработке принятых сигналов учитывается информация о их фазе и доплеровском смещении частоты.

К достоинствам импульсных РЛС относятся:

1) простота однозначного измерения дальности нескольких целей;

2) высокое разрешение целей по дальности;

3) простота развязки излучаемых и принимаемых сигналов путём использования одной антенны.

Однако эти РЛС не позволяют селектировать цели по скорости.

2). РЛС с непрерывным сигналом имеют сложную развязку, что не позволяет использовать одну антенну.

3). В квази-непрерывных РЛС имеются импульсы с малой скважностью.

Импульсные РЛС обнаружения используются для дальнего обнаружения целей летящих на средних и больших высотах. РЛС с непрерывным и квази-непрерывным импульсом применяются для обнаружения низколетящих целей.

Тактико-технические данные. Диапазон длин волн: УКВ от 1 до 100 МГц; мощность импульсов от 1 до 100 МВт; ширина диаграммы направленности по азимуту сотни градусов; скорость вращения 1-10 об./мин; коэффициент усиления антенны 1 00-1 000.

Принцип действия импульсной РЛС обнаружения

Принцип действия импульсной РЛС обнаружения. Передатчик РЛС через антенну излучает, короткие импульсы, которые отражаются от цели и принимаются той же антенной. Измерив время между излучением и приёмом сигнала можно определить расстояние между целью и РЛС: D=150t.

Направление на цель определяется изменением углового поля антенны РЛС в плоскости приёма определённого сигнала. Прямые зондирующие сигналы генерируются ВЧ генератором (магнетроном, клистроном или ламповым генератором).

Диаграмма направленности

Е - напряженность электрического поля, У - азимут.

Азимут цели определяется положению основного лепестка.

Антенна РЛС вращается вокруг оси и позволяет просматривать пространство в том телесном угле, где ожидается появление цели. Скорость вращения выбирается так, чтобы цель оставалась в основном лепестке диаграммы направленности до тех пор, пока антенна не примет k отражённых целью импульсов. При работе РЛС в круговом направлении число оборотов n должно выбираться как:

об/мин;

где j ₀ - ширина основного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости в градусах. j₀=65´l /d .

Когда РЛС работает в режиме кругового обзора, луч двигается по радиусу от центра к периферии. Причем начало каждого цикла движения совпадает с 0° . Синхронизация между началом развёртки и излучённым сигналом обеспечивается блоком развёртки. Дальность действия РЛС тем больше, чем выше средняя мощность РЛС и меньше уровень шума действующего на входе приёмника. Если учесть способность оконечных устройств РЛС как интенсивность, то можно показать, что дальность действия РЛС определяется отношением пачки импульсных сигналов к спектральной плотности шума.

РЛС сопровождения целей. Асц по направлению. Конич. сканирование

В РТ системах слежения целей используются 2 метода АСЦ по направлению: одноканальный (сканирование) и 2-х канальный (моноимпульсный).

При коническом сканировании основной лепесток диаграммы направленности РЛС вращается в пространстве, причем ось его движется по образующей конуса.

Такое движение антенны можно получить, если облучатель в фокусе параболоида и вращается вокруг его фокальной оси. Если цель находится на оси конуса и симметричной оси лепестка, величина отражённого сигнала не меняется, это называется сканированием. Если цель смещена с оси конуса, коэффициент усиления антенны в направлении на цель, периодически изменяется с частотой вращения диаграммы, т.е. с частотой сканирования.

В соответствии с этим модулируется амплитуда отраженного от цели сигнала. Глубина и начальная фаза зависят от данного положения цели относительно поля антенны и могут быть использованы для её (цели) определения.

Блок схема РЛ угломерного координатора с комплексным сканированием.

Модуляция по амплитуде за счёт сканирования антенной последовательных отраженных целью сигналов после усиления и детектирования в приемнике, поступает на детектор сигнала ошибки. Когда цель смещена с равносигнального положения на детекторе сигнала ошибки (ДСО) возникает сигнальное напряжение с частотой сканирования, оно усиливается усилителем сигнала ошибки. Амплитуда выходного напряжения сигнала ошибки пропорциональна угловому отклонению цели от равносигнального направления, а начальная фаза зависит от напряжения этого смещения, отличного от некоторой опорной плоскости. С выходом УСО связаны 2 фазовых детектора, с которых к устройству управления вращением антенны подводятся определенные сигналы. В цепь опорного сигнала ФД включен фазовращатель, сдвигающий фазу сигнала на 90° .

На выходах ФД создаётся 2 напряжения, которые пропорциональны смещению цели относительно равносигнального направления антенны в 2-х перпендикулярных плоскостях. Эти напряжения подаются на 2 серводвигателя, которые управляют положением антенны. Они поворачивают антенну в угломерных и азимутальных плоскостях до тех пор, пока оба сигнала ошибки не будут сведены к 0.

РЛС сц. Асц по направлению. Моноимпульсный метод

РЛС, работающие в контурах управления оружием, например, РЛ прицеливания, кроме обзорных режимов имеют режим сопровождения цели по одной или нескольким координатам. Такими координатами могут быть азимут или угол дальности. В РТ системах слежения целей используются 2 метода АСЦ по направлению: одноканальный (сканирование) и 2-х канальный (моноимпульсный).

При моноимпульсном методе условная координата цели в каждой взаимно-перепендикулярной плоскости определяется сравнением сигналов А, f, j принимаемых одновременно 2-мя разными антеннами.

Антенная система моноимпульсной РЛС состоит из 4-х антенн размещённых попарно в азимутальных и угломерных плоскостях перед общим отражателем. Чтобы определить направление на цель сравнивают амплитуды сигналов принятых 2-мя антеннами затем усиленных и продетектированных 2-мя приёмниками.

Блок схема одного канала моноимпульсной РЛС.

Когда цель находится на равносигнальном направлении, амплитуды и сигналов обоих приемников равные, и на выходе схемы вычитания сигнала нет. При смещении цели амплитуды будут неравными, и на выходе схемы вычитания возникнет напряжение величина и знак, которого определяют сторону и величину смещения цели. Это напряжение управляет поворотом антенны на равносигнальное направление.

Недостатком рассматриваемой РЛС является, то, что амплитуда окажется равной амплитуде ограничения приемников РЛС, т.о. информация о угле цели будет потеряна, чтобы избежать этого нужно поставить фазовый детектор.

РЛС сопровождения целей. Асц по дальности.

Позволяет без вмешательства оператора непрерывно получать дальность до захваченной на сопровождении цели в виде пропорционального ей напряжения.

В схеме используются два строб импульса U_C₁ и U_C₂, вырабатываемые генератором строб импульсов. Они располагаются на временной оси таким образом, что одна половина стробирующего импульса перекрывает сигнал цели передним фронтом, а вторая - задним. Выходной сигнал дискриминатора представляет 2 импульса, имеющих одинаковую амплитуду, но разную полярность. Когда середина импульса цели не совпадает по времени с серединой пары строб импульсов, тогда нарушаются условия равенства длительности импульсов дискриминатора. В этом случае схема управления вырабатывает сигнал D U_УПР , который подается на генератор строб импульсов и так изменяет задержку строб импульсов, что параллельная симметрия восстанавливается.

РЛС сопровождения целей. Асц по скорости

РЛС с непрерывным излучением позволяет разделить сигналы между отраженными от движущейся цели и неподвижными объектами. Это основано на использовании эффекта доплеровского смещения частоты колебания отраженного от движущегося относительно приемника объекта.

Передатчик излучает сигнал .

Если , то приемник находится на расстоянии D₀ от передатчика, тогда при t>0 он будет принимать колебания

Доплеровское смещение частоты

;

где ; ;

Если цель движется под углом a , то доплеровское смещение

F_Д=f₀ u /c cosa .

Сигналы, излучаемые передатчиком РЛС и приемником, дважды проходят расстояние:

F_Д=2f₀ u / c cosa .

Вариант блок схемы

Опорный сигнал с частотой f ₀и отраженный сигнал от движущейся цели с частотой
f₀+ F_Д подается на 2 смесителя, с которыми связан общий гетеродин. Сигналы промежуточной частоты f_пр и f_пр+F_Д усиливаются в УПЧ1 и в УПЧ2 и подаются на 2-ой смеситель. Последние каскады УПЧ1 работают в режиме амплитудного ограничения. Выходной сигнал служит гетеродином для выходного напряжения УПЧ2.

На выходе второго смесителя включен фильтр, полоса которого охватывает весь диапазон F _Д. Этот блок вычитает из сигнала частоту F_Д и усиливает ее. F_Д попадает на 3-ий смеситель, где смешивается с сигналом регулирующего гетеродина в результате чего образуется сигнал с ЛЧ потом переходящий в строб скорости. Ширина строба по скорости небольшая и позволяет РЛС отдельно обрабатывать сигналы, отраженные от целей с разными скоростями.

Общая характеристика противовоздушной обороны

Исходя из того, что тактико-технические данные современных самолетов, баллистических и крылатых ракет постоянно совершенствуются, задачи ПВО постоянно усложняются. Следовательно, есть необходимость улучшения организационной структуры и технических средств ПВО. Средства ПВО должны дать командованию своевременную и полную информацию о воздушной обстановке на дальних подступах к прикрываемому району. Эта информация служит основой для распределения целей. Распределение информации для целей между средствами поражения, ЗРК, ЗСК дальнего наведения ИП целей.

ЦР – целераспределение;

ИП – истребитель перехватчик;

Средства ПВО должны также обеспечить прицеливание ЗСК и стрелково-пушечного вооружения ИП, прицеливания и наведение управляемых ракет (УРИП).

Средства ПВО:

- РЭС систем управления войсками;

- РЭС систем управления оружием ПВО.

Первые образуют контуры ЦР, а вторые прицеливание и наведение оружия на цель.

Системы наведения бывают 2-х видов:

- командные;

- самонаводящиеся.

В командных системах команды наведения вырабатываются на пункте управления (ПУ) с помощью командной радиолинии управления (ПРУ). В системах самонаведения команды управления вырабатываются на самой ракете. Системы самонаведения используются при ближнем наведении ИП «Стингер», «Спароу». Командные системы используют при дальнем наведении ИП ЗУР (зенитных управляемых ракет) «Патриот», «Найк».

Контур целераспределения

Он состоит из совокупности связанных между собой РЛС обнаружения и опознавания воздушных целей, систем обработки информации и целераспределения, РЭС связи и передачи данных.

ИА – истребительная авиация, ЦО – целеобнаружение, ЦР – целераспределение, ЗСК – зенитно-ствольный комплекс, ЗРК – зенитно-ракетный комплекс

РЛС обнаружения просматривая воздушное пространство в заданном секторе, устанавливает фактическое появления целей, определяет их принадлежность, координаты и параметры движения. Полученные данные передаются с помощью РЭС в систему обработки информации о воздушной обстановке в районе ПВО. Анализируя ее с учетом возможности и готовности средств поражения, боевой расчет распределяет между ними цели. При обработке информации и решении задач ЦР используется ЭВМ, окончательное решение принадлежит командиру.

Команды целеуказания передаются посредствам связи истребителю, ЗРК и ЗСК. Объектами для радиоэлектронного противодействия являются РЛС и системы обнаружения воздушных целей, системы радиолокационного опознавания и РЭС связи и передачи данных.

Контур командного наведения

В контурах с командным наблюдением используются 3-х точечные методы при формировании команд управления (осуществляется с 3-х точек). ПУ, цели и УО (управляемый объект), ПУ может быть и неподвижным.

Из 3-х точечных методов получили распространение:

- метод параллельного сближения;

- метод совмещения.

При первом методе управляемый объект наводится на цель с упреждением. В случае отклонения от требуемого объекта, на каждую из плоскостей наведения должны подаваться команды. Данный метод имеет высокую точность, позволяет осуществлять пуск управляемых ракет на отдаленном расстоянии.

Недостаток: АСД может быть легко подавлена и реализация метода будет невозможна.

Метод совмещения требует, чтобы при наведении, управляемый объект находился на линии ПУ – цель. При этом методе невозможно наводить управляемую ракету с упреждением. Данный метод обладает худшей точностью и не позволяет наводить управляемую ракету на дальнем расстоянии. Для осуществления этого метода должны применяться 2 РЛС, ЛСЦ и АСР.

РЛС АСЦ следит за целью, а бортовая аппаратура удерживает ракету на линии ПУ – цель. Такой метод называется наведением по радиолучу. Контур наведения может работать в автоматическом или полуавтоматическом режиме.

В первом случае координация цели и управляемого объекта получаемые 2-мя РЛС работающими в режиме АСЦ, поступают в счетно-решающий прибор (СРП), который вырабатывает команды наведения. Команды кодируются шифратором КРУ и передаются на ракету, где после дешифрирования с помощью автопилота на рули ракеты, корректируя её траекторию.

Во втором случае координаты цели и управляемого объекта снимаются с экрана РЛС, и в зависимости от степени автоматизации контура штурман наведения передает команду летчику на координацию курса или вводит координаты цели и истребителя перехватчика в СРП.

В контуре автоматического командного наблюдения объектами РЭП являются РЛС наведения и распознавания целей, средства радиосвязи и КРУ.

Контур самонаведения

Современные самонаводящиеся ракеты используют для наведения 2-х точечные методы. В формирование команды управления участвуют движения 2-х точек, ракеты и цели. Команды вырабатываются на самой ракете. В них используется метод пропорционального наведения, при котором ракета наводится с упреждением. Роль координатора системы самонаведения выполняет ГСН (головка самонаведения), которая включает в себя: акселерометр, АСС (автом. сопровождение по скорости) и АСН (автом. сопровождение по направлению) и вычитатель (счетно-решающий прибор). т.о., для подавления системы самонаведения ракеты должны задаваться помехи АСС и АСН.

Контур самонаведения начинает функционировать, после того как система самонаведения вывела ракету в район цели, контур предназначен для компенсации ошибки и создания РЛ координатора для измерения координат цели.

В зависимости от типа координатора различают активный и полуактивный режимы самонаведения. При активном режиме координатор представляет собой бортовую ЭВМ, имеющую приемник и передатчик. При полуактивном режиме только приемник, он обрабатывает отраженные от целей сигналы.

Задачи и средства радиоэлектронного подавления

Задачи и методы РЭП.

Основным назначением РЭП является подавление РЭС, следящих за летательными аппаратами. Классификация РЭС РЭП приведена на рисунке:

Эти средства в радиодиапазоне можно назвать средствами РПД, а в оптическом диапазоне – оптико-электронное ПД.

Все средства РЭП можно разделить на расходуемые и не расходуемые.

Нерасходуемые: САП (станции активных помех), средства управления ЭПР с целью сделать летательный аппарат невидимым для РЛС.

Расходуемые: пассивные помехи, ЛЦ, ПРЛР.

ПП – пассивные помехи;

ЛЦ – ложные цели;

ПРЛР – противорадиолокационные ракеты;

РЛЦ – радиолокационные ложные цели.

ЛЦ подразделяются:

1. РЛ ЛЦ в виде беспилотного летательного аппарата с аппаратной имитацией ЭПР пилотируемого летательного аппарата;

2. РЛ ловушки РЛВ в виде беспилотного летательного аппарата, перенацеливающего РЛС с пилотируемого ЛА на себя;

3. Разбрасываемые (на парашютах) твердотельные САП (РСАП).

Плазменные образования являются ложными целями для РЛС. Средства РЭП могут быть как совместимыми, так и вынесенными с маскируемого летательного аппарата.

Классификация и краткая характеристика преднамеренных помех

По своему происхождению помехи делятся на преднамеренные и не преднамеренные. Непреднамеренные помехи образуются за счет отражения ЭМ волн, излучений солнца и т.п.

Преднамеренные помехи создаются средствами РЭ подавления.

1. По использованию источника электроэнергии при создании помехи:

· активные,

· пассивные,

· комбинированные.

Активные помехи создаются специальными приборами или станциями активных помех (САП). Пассивные помехи возникают вследствие отражения ЭМ волн от естественных или искусственно созданных отражателей, действуют в основном на РЛС (дипольные отражатели, длинные провода, уголковые и линзовые отражатели). Комбинированные (активно-пассивные) помехи возникают вследствие отражения ЭМ волн, излучаемых передатчиком помех в направлении естественного (земли) или искусственного образования, используются для подавления доплеровских РЛС.

2. По конечному результату воздействия на РЭС:

· маскирующие;

· имитирующие.

Маскирующие затрудняют или полностью исключают обнаружение и обработку полезного сигнала, образуют на экранах индикатора РЛС обнаружения засвеченные секторы.

Имитирующие создают ложную информацию (ложные отметки цели на экранах РЛС).

3. По закону изменения параметров во времени:

· детерминированные;

· случайные;

· непрерывные;

· импульсные;

· немодулированные;

· модулированные.

Детерминированные описываются определенными функциями времени, используются в качестве имитирующих помех.

Случайные помехи имеют параметры, изменяющиеся во времени случайно.

Непрерывные помехи – это ВЧ колебания, непрерывно изменяющиеся во времени.

Импульсные помехи – это последовательности ВЧ импульсов.

Модулированные помехи – их параметры изменяются по закону определенной последовательности.

В качестве маскирующих помех используются обычно непрерывные сигналы с изменяющимся непрерывно определенным параметром, такие помехи называются шумами.

Особую группу маскирующих помех образуют прямошумовые помехи (ПШП).

В качестве имитирующих импульсных помех используются многократные ответные помехи (МОП) и однократные (уводящие по дальности).

4. По классу подавляемых РЭС:

· используемые для подавления РЛС;

· используемые для подавления радиосвязных систем;

· используемые для подавления радионавигационных систем.

В зависимости от режимов работы помехи делятся на помехи РЛС обнаружения и помехи РЛС автосопровождения цели.

Пассивные помехи воздействуют на некогерентные импульсные РЛС. Дипольные отражатели применяются преимущественно для создания маскирующих помех, а уголковые и линзовые отражатели, антенные решетки Ван-Арта для создания импульсных помех. Они используются для подавления РЛС обнаружения т.о. они могут называться ложными целями. Могут устанавливаться на летательных аппаратах или буксироваться на тросах.

Системам АСД и АСС создаются шумовые помехи и уводящие помехи по дальности и по скорости.

Ложные захватывания по шуму обеспечивают срыв сопровождения или вносят ошибки в измерения дальности и скорости цели. Уводящие помехи вызывают срыв сопровождения цели, что приводит к перерывам передачи информации системам АСН и, следовательно, созданию ошибок по направлению, дальности и скорости.

Для нарушения работы любых систем АСН используются одноточечные и 2-х точечные помехи. Системы АСН с коническим сканированием подвержены воздействию АМ помех, прицельных и заградительных по частоте сканирования. Воздействие помех приводит к ошибкам, детерминированным или сложным.

Задачи и методы радиоэлектронной защиты.

Средства РЭЗ предназначены для обеспечения с помощью любых РЭ методов защиты РЭС от средств РЭ подавления. Классификация методов и средств РЭЗ, применяемых в условиях РЭ подавления, приведена на рисунке:

В понятие РЭЗ РЭС от РЭП входит: ЭМС (электромагнитная совместимость) всех РЭС, ПЗ от активных и пассивных помех, РЭЗ радиосистеы и радиокомплексов в целом (решается применением различных методов РЭЗ: скрытностью функционирования; дублированием и комплексированием однотипных РЭС).

Проблемы ЭМС и ПЗ связанные с РЭЗ каналов приема основного, соседнего и побочных, т.к. при наличии даже непреднамеренных помех в радиоприемном устройстве возникают паразитные явления: нарушение линейности амплитудной характеристики и сужение динамического диапазона.

Для решения этих проблем применяют следующие методы ПЗ РПУ:

· защита от перегрузок широкополосного ВЧ тракта РПУ, состоящая из различных методов линеаризации этого тракта;

· компенсация помех обычно на выходе УПЧ, осуществляется с использованием вспомогательных антенн (пространственная и поляризационная селекция) и дополнительных каналов компенсации (временная и частотная селекция).

Информационные средства при генерации активных помех

При подавлении каналов радиоприема в станциях активных помех необходимо обеспечить степень перекрытия параметрами помехи соответствующих параметров информационных радиосигналов.

Эту задачу решают информационные системы РЭП. Это станция оперативной РТ развертки (ОРТР).

На рисунке а) схема соединения ОРТР и САП выполненных в виде независимых блоков. С помощью АЦП и ЭВМ, решающей задачу опознавания РЭС по принимаемым сигналам. На рисунке б) наиболее эффективный способ соединения ОРТР и САП (станция активных помех) через ЭВМ, которая выполняет:

- цифровую обработку информации на выходе ОРТР;

- цифровое распознавание (ЦР) "РЭС" по излучаемым ими сигналам;

- цифровое управление САП.

В случае применения активных помех в САП имеется 2 антенны: приемная – для радиосигнала РЭС и передающая – для ответной активной помехи.

Особенно важно использование таких комплексов при создании прицельных по частоте помех, т.к. концентрация мощности помехи в узком диапазоне частот требует точного определения несущей частоты полезного сигнала системы ОРТР и точной настройки передатчика помех на эту частоту.

Информационный критерий эффективности рэ подавления

Средства РЭП в результате их применения не вызывают физических разрушений РЭС, они могут только изменить количество информации в подавлении РЭС. Эффективность средств и способов р/элементного подавления оценивают по информационному, энергетическому и другим критериям.

Информационный критерий используется для сравнения оценки качества помеховых сигналов и позволяет определить эффективность применяемого помехового сигнала по подавлению и его устойчивость к контрмерам противника, направленных на борьбу с помехами.

Количество маскирующих имитирующих помех по инф. критерию оценивается энтропией:

где - многомерная плотность вероятности.

Если помеховый сигнал стационарный длительностью Т_п

;

где - одномерная энтропия, а W(х) – это одномерная плотность вероятности.

ЕСЛИ ВЫ ДОЧИТАЛИ ДО СЮДА, ТО ВАМ ТРОЯК, ЗА ЧТЕНИЕ

Наилучшими маскирующими свойствами среди помех при заданной мощности обладает белый шум.

Его энтропия

;

где - мощность белого шума (дисперсия).

Качество других видов маскирующих помех по сравнению с белым шумом определяется коэффициентом качества

Иногда этот коэффициент кот. определяется отношением: , где Р_п– мощность помехи, энтропия которого равна энтропии белого шума.

Для оценки имитирующих помех применяют разность условных энтропий случайных измерений параметров полезного сигнала и соответствующих параметров помехи.

Наилучшая имитация, когда разность = 0. Информационный критерий позволяет выбрать из помеховых сигналов тот, который наносит максимальный ущерб.

Энергетический критерий ЭФФЕКТИВНОСТИ РЭ ПОДАВЛЕНИЯ

С его помощью сравниваются энергетические возможности помех по подавлению заданной РЭС. Для сравнительной оценки вводится коэффициент подавления k_п,

определяющий минимальное отношение мощности помехи и сигнал на входе подавляемого приемника, в пределах его полосы пропускания, при котором имеет место заданная степень подавления. Степень подавления (инф.ущерб) проявляется в снижении вероятности выполнения своих функций в подавленном РЭС. Для БШ мощность

где G – спектральная плотность, - полоса пропускания линейной части приемника.

В случае импульсных помех Р_П представляет собой мощность помехового импульса или имеет прямоугольную форму. Если полезный сигнал представляет собой непрерывное колебание постоянной амплитуды, как например при ЧМ или ФМ, то под Р_С понимают мгновенную мощность, равную средней мощности сигнала. Если помеха и сигнал произвольной формы, то под Р_Пи Р_С понимают среднее значение мощности за время, равное средней длительности сигнала.

Численное значение коэффициента подавления может быть найдено только для заданного помехового сигнала и заданного подавляемого устройства.

Т.О., энергетический критерий, в отличие от информационного, требует знания конкретных характеристик подавляемых систем. Если система известна, ее можно подавить с меньшими энергетическими затратами, применяя соответствующие помеховые сигналы, не обязательно оптимальные по информационному критерию. Если известны вероятностные характеристики полезного и помехового сигнала и характеристики преобразования сигнала и помехи в РЭУ, то можно определить минимальное энергетическое соотношение с помощью теории статистических решений. В частности, для маскирующих помех коэффициент подавления находится в 2 этапа. 1 этап по информационным критериям обеспечивается наилучшее качество помехового сигнала. 2 этап для оптимального, по информационному критерию, находится коэффициент подавления, при этом его полученное значение будет приближенным, а степень приближения для различных критериев принятия решения будет различной.

Имеются 2 гипотезы: помеха и сигнал + помеха, имеется несколько критериев: Байеса, Неймана-Пирсона, Котельникова-Зигерта, Вальда. Во всех критериях решение принимается исходя из отношения правдоподобия.

где W_n – многомерные плотности распределения напряжения (тока) соответственно в случае аддитивной смеси сигнала и шума, и только одного шума. Делая выбор между 2-мя гипотезами по данной выборке можно допустить ошибки 2-х родов:

- ложная тревога;

- пропуск цели.

Принять решение в данном случае – это значит определить границы области R ₀ параметров , соответствующих первой гипотезе, и границы области R₁ значение этих же параметров, соответствующих второй гипотезе.

Вероятность ошибки 1-го рода Q ₀ определяется путем интегрирования по области распределения R₁плотности распределения W₀.

Вероятность ошибки второго рода Q ₁ определяется путем интегрирования по области R₀ и W₁.

В зависимости от принимаемого критерия отношение правдоподобия принимается так, чтобы обеспечить по тем или иным соображениям, вероятности тех или иных ошибок.

Оперативно-тактический критерий ЭФФЕКТИВНОСТИ РЭ ПОДАВЛЕНИЯ

С помощью оперативно-тактического критерия можно определить полноту выполнения задачи комплексно или системой. Сущность критерия можно рассмотреть на примере задачи по уничтожению цели самолетами ударной группы. Эффективность выполнения задачи можно оценить вероятностью боевой задачи Р_БЗ. Уничтожение противников возможно при соблюдении 3-х событий:

1 Преодоление ПВО самолетами ударной группы;

2 Обнаружение цели;

3 Уничтожение цели.

Эти события возникаю друг за другом и независимы: Р_БЗ=Р_ПРПВОР_ОБНР_ПОР; эти вероятности зависят от эффективности ПВО и бортовых РЭС самолетов ударной группы.

Организуя РЭП системы ПВО существенно снизить эффективность их функций и тем самым повысить Р_ПР.ПВО до значения Р_{ПР.ПВО.РЭП}. Эффективность РЭП РЭС систем управления ПВО можно оценить коэффициентом:

Чем больше КПД ПВО тем выше Р_{ПР,ПВО,РЭП}.

При преодолении ПВО самолеты подвергаются воздействию ЗРК, ЗСК и ИП. Если зоны их ответственности не пересекаются, то вероятность Р_ПРПВО=(1-Р_СБ.ИП)(1-Р_СБ.ЗРК))(1-Р_СБ.ЗСК).

Вероятность сбивания отдельного самолета ПВО рассчитывается по формуле:

где - вероятность сбития самолета при одной атаке ИП, п – число пусков ЗУР или выстрелов ЗСК.

Повышение эффективности применения средств и способов РЭП достигается уменьшением числа атак и снижением вероятности сбития самолета до величин Р_РЭП и Р_1сбРЭП. Вероятности сбития Р_1сб и Р_1сбРЭП определяются в результате теоретических расчетов, а также при испытаниях в полигонных условиях и при проведении боевых действий. Уменьшение n до n_РЭП и Р_1сб до Р_1сбРЭП в конечном счете увеличивает Р_{ПР.ПВО.РЭП}.

Для сравнительной оценки эффективности различных способов применения средств РЭП могут служить коэффициенты:

, .

Чем меньше их значение, тем эффективнее мероприятия по РЭП РЭС систем ПВО. Уменьшение числа атак с n до n_РЭП достигается умелой организацией преодоления систем РЭП, применением ложных целей.

Подавление РЛС обнаружения затрудняет решение задач целераспределения.

РЭП РЛС автосопровождения цели приводит к недопущению захвата цели и перехода РЛС в режим АСЦ, а также приводит к срыву сопровождения цели или к ошибкам в определении данных.

Методы оценки инф. ущерба, наносимого средствами активных помех

Эффективность помех зависит от соотношения мощности помехи и сигнала, т.е. помеха может нанести заданный эффект:

где - коэффициент данного РЭУ заданный видом помехи (это отношение , которое обеспечивает определенный информационный ущерб).

Для оценки эффективности помех необходимо установить коэффициента k падающих помех и устройства.

Они преодолевают одну РЛС. Параметры, характеризующие систему создающую помехи: Р_n – мощность ПП; G_n – максимальный коэффициент направленного действия передатчика помех; f_n – эффективная ширина помехового сигнала; g _n – коэффициент расчетный различающий помехи передатчика помех и приемника помех; s_ц – ЭПР цели (эффективная площадь рассеяния); D_n,Q _n,Ф_n - полные координаты постановщика помех; D_c - дальность до цели.

Параметры характеризующие РЛС: Р_с– мощность РЛС; G_c – максимальный коэффициент направленного действия РЛС; Df _пр – ширина пропускания приемника РЛС; F(Q ,Ф) – функция описывающая диаграмму антенны РЛС; К_n – коэффициент подавления данной РЛС данным помеховым сигналом; А_r – эффективная поверхность поглощения антенны РЛС, определяемая формулой:

Найдем зависимость коэффициента k от переходных параметров. Плотность потока мощности на входе антенны РЛС будет равно:

(1),

где a -коэффициент учитывающий затухание в дБ/км при прохождении сигнала только в одну сторону. Мощность на выходе РЛС равна

;

где Р_Ш – мощность собственных шумов приемника в его линейной части.

;

где - коэффициент шума.

Обычно мощность помехи значительно превышает мощность собственных шумов приемника.

(2).

В приемник попадает только часть мощности помехи определяемая отношением спектра помехи и полосы пропускания подавляемой РЛС. Исходя из формул (1) и (2) мощность помехи будет равна:

(3).

Аналогично для мощности полного сигнала на входе приемника РЛС:

(4).

Подставляем формулы (3) и (4) в формулу для определения k и находим отношение:

(5).

Выражение (5) называется уравнением кривых радиолокационных помех.

Зона подавления РЭС

(1) – уравнение кривых радиолокационных помех.

Из графиков видно, что при заданном постоянном отношении помех P_nG_n и постоянном расстоянии D_n отношение помеха/сигнал-k уменьшается с уменьшением до прикрываемой цели.

На определенном расстоянии при приближении цели к РЛС k уменьшится на столько, что помеха перестанет действовать. Область, в пределах которой k ³ k _П (помеха является эффективной), называется зоной подавления.

Зона подавления может быть найдена графически, для этого на оси ординат необходимо отложить k _П и провести прямую параллельно оси абсцисс, точка пересечения этой прямой с кривой k=k(D_С) определит зону подавления по дальности.

Как следует из формулы (1) коэффициент k _П границы зоны подавления в значительной степени определяется диаграммой направленности антенны РЛС. Если передатчик помех действует по основному лепестку ДН, то зона подавления будет иметь большую протяженность, чем зона подавления по боковому лепестку.

На рисунке изображена в полярной системе координат заданная ДН антенны РЛС. Из диаграммы видно, что при заданном энергетическом потенциале станции помех и положении постановщика помех относительно РЛС, прикрывающей самолет ПС1, может приблизиться в безопасности в створе с постановщиком помех (помеха действует по основному лепестку ДН гораздо ближе, чем в случае, если бы ПС2 летел к РЛС не в створе с ПП). Другим словами, дальность обнаружения ПС1 будет меньше, чем дальность обнаружения ПС2. Увеличение энергетического потенциала станции помех приводит к смещению границы зоны подавления в сторону к РЛС.

Дальность действия средств активных помех

Если передатчик помех находится на ПС1 то формула

(1)

упрощается:

(2).

Если пренебречь поглощением ЭМ волн в атмосфере, т.е. α = 0, то из формулы (2) можно найти формулу для минимальной дальности подавления:

(3).

Формулу (3) называют формулой дальности действия помех.

В общем случае минимальную дальность подавления можно найти из формулы (1) по мере приближения передатчика помех к РЛС, эффективность их падает и отношение помеха/сигнал уменьшается. Это объясняется тем, что в процессе подлета самолета мощность сигнала возрастает быстрее, чем мощность помехи на входе приемника РЛС. Т.к. мощность сигнала обратно пропорциональна , а мощность помехи обратно пропорциональна , формулы (1) и (3) справедливы, если приемник не перегружается помехой.

Обобщенная структурная схема станции помех

При формировании помех предпочтение отдается помехам по несущей частоте и другим параметрам.

Для установки режима работы передатчика помех используются данные средств РТ разведки (РТР) включаемых в состав станции помех.

Сигналы подаваемые на РЛС принимаются А1, усиливаются и селектируются в развед-приемнике (РП) и поступают в устройство запоминания несущей частоты УЗЧ. УЗЧ управляет блоком передатчика помех БПП с помощью которого настраивается генератор Г, который настраивается на частоту подавления РЛС. С выхода РП сигнал поступает на устройство анализа УАРД. Он формирует управление сигналами для модулятора. При необходимости формирования шумовых помех, модуляционный шум вырабатывается специальным генератором первичным источником шума (ПИШ). Излучение помехового сигнала осуществляется А2. РП служит для усиления принимаемых сигналов, он может быть выполнен по схеме прямого усиления или по гетеродинной схеме, он может перестраиваемым и не перестраиваемым (многоканальным). Эти данные используются для управления антенной А2, при создании прицельных по направлению помех.

УЗЧ запоминает несущую частоту РЛС на заданное время: период повторения импульсов РЛС.К УЗЧ предъявляются высокие требования. Ошибка запоминания частоты не должна превысить . Блок БПП совместно с УЗЧ определяет точность и время подстройки передатчика помех. В некоторых станциях может отсутствовать БПП и УЗЧ если создаются заграждающие помехи по несущей частоте.

Генератор помех в зависимости от диапазона частот может быть выполнен на магнетронах, ЛБВ и т.д. В качестве генератора используется тиратрон в магнитном поле и др. т.е. те, которые сильнее шумят.

Принципы построения передатчиков прямошумовых помех

Наилучшими маскировочными свойствами обладают белые Гауссовы шумы. К белым Шумам относятся, тепловые шумы резисторов, дробовые шумы электрических ламп, фоторезисторов и фотоэлементов. Получение прямошумовых помех происходит прямо в генераторах, шумы усиливаются, проходят преобразование спектра и излучаются антенной. Особенностью такого помехового сигнала является, то, что все его параметры: амплитуда, фаза, частота изменяются по шумовому закону. Общее выражение для прямошумовых помех: ; и - случайные функции. Обычно для этих сигналов удовлетворяется условие: ; - ширина спектра помехи. На практике находят широкое применение 2 типа передатчиков:

1. с прямым усилением шумов первичного источника.

2. с переносом спектра методом гетеродинирования.

Упрощенная структурная схема передатчика прямошумовых помех с прямым усилением шумов

Графики спектрального шума первого источника G_Ш(f) и формирующего помехового сигнала G_n(f).

Требуемая ширина спектра помех формируется узкополосным перестраиваемым фильтром. Настройка на несущую частоту подавляемой РЛС производится по сигналам разведывательной части станции помех. Часто настройка полосового фильтра бывает фиксированной, и каждый передатчик работает на фиксированной частоте, а заданный диапазон рабочих частот перекрываться помеховыми сигналами от нескольких передатчиков, спектры которых примыкают друг к другу. Т.к. мощность передатчика помех » спектральной плотности помехи: Р_пп » G_n(f₀)D f _n, и превосходит в сотни и тысячи раз мощность первичного шума, то при формировании узкополосных сигналов вынужденно применяются многокаскадные резонансные усилители. Число каскадов может быть уменьшено по схеме рисунока а:

На рисунке б показаны графики спектров U_Ш _.К_Ф » ; 0<F<F_max.

23. Принцип построения передатчика шрп с амплитудной модуляцией

В таких передатчиках ВЧ колебание модулируются шумами по амплитуде

где К_АМ - крутизна модуляционной характеристики передатчика.

Пусть мгновенный коэффициент АМ.

Тогда получаем для АМ шумов: (2).

Из (2) можно записать .

Откуда следует, что спектр АМ шумовой помехи (АМШП) Gп(f) содержит регулярную составляющую на частоте f0=ω0/2π, а спектр модулирующих шумов Uш(t) образует боковые полосы с частотами f(+)=f0+Fi и f(-)=f0-Fi где Fi – i-ая составляющая спектра модулирующих шумов

Полная мощность передатчика АМ помех равна P_п.п= P_н+P_б, где P_н – мощность регулярной составляющей несущего колебания, P_б – мощность боковых составляющих спектра помехового сигнала.

Маскирующий эффект при подавлении РЛС обзора создают боковые составляющие спектра. Перераспределить P_п.п в пользу P_б в некоторой степени за счет предварительного двустороннего ограничения шумового напряжения, Но с увеличением ограничения модулирующих шумов амплитуда АМ шумов становится все более регулярной, а при предельном ограничении она будет принимать значения 1 и 0. При этом ухудшаются маскирующие свойства АМШП. Но не смотря на это в СВЧ диапазоне необходимо использовать предельно ограниченные модулирующие шумы, что свзано с явлением паразитной ЧМ или ФМ. В СВЧ диапазоне используют 2 типа передатчиков АМШП в виде АГ на магнетронах и модуляторах на ЛБВ. Схема генератора для получения АМШП с использованием ЛБВ приведена на рисунке слева.

1 – катод с системой электростатической фокусировки эл. пучка.

2 – 1-ый анод

3 – 2-ой анод (ускоряющий электрод)

4 – металлическая спираль (замедляющий электрод)

5 – Э/м фокусирующая катушка

6 – коллектор электронов

7 – входные и выходные элементы связи спирали с вх. и вых. волноводами или коаксиалами.

Сфокусированный и ускоренный анодами эл. поток поступает в пространство взаимодействия (внутр. Полость спирали) с переменным Эл. полем спирали, которое возникает в результате того, что во входном элементе связи поле наводит ЭДС. Наведенная волна распространяется вдоль витков спирали. Поток электронов в пространстве взаимодействия образует сгустки по причине изменения направления вектора напряженности переменного Эл. поля. С помощью изменения скорости движения электронов (напряжение на анодах) можно добиться торможения электронов и сл-но передачи энергии спирали. В результате поле на вых. ЛБВ , где - коэффициент усиления ЛБВ, - время распространения волны вдоль спирали.

В режиме получения АМШП ЛБВ работает как усилитель с переменным значением коэффициента усиления. В этом режиме разведывательная часть станции РП обеспечивает определение и запоминание несущей частоты, подавляемой РЛС. Поэтом на вх. ЛБВ поступают колебания . Устройство запоминания частоты (УЗЧ) может отсутствовать. В ЛБВ модулируется принятый сигнал подавляемой РЛС. Так могут быть реализованы АМШП на частоте сканирования антенны подавляемой РЛС. Модулирующие шумы с генератора поступают на двусторонний ограничитель и далее на модулятор – эл. лампу или транзистор, включенный последовательно в цепь питания 1-го анод. Изменение Ua приводит к изменению К_ЛБВ и тем самым позволяет получит АМШП, однако модулируется и скорость электронов, а следовательно и время полета их через спираль. В результате возникает паразитная ФМ. Для ее устранения шум стремятся предельно ограничить, а лампы модуляции ставят в режим коммутации тока. Рассмотренную схему применяют для получения УПШС, напряжения при создании помех на частоте сканирования.

Принцип постро ения передатчика шумовых радиопомех с фм

Фазомодул. шумовая помеха (ФМШП) – ВЧ колебание, мгновенное значение начальной фазы которого изменяется во времени по закону изменения напряжения Uш(t) модуляционного шума.

Аналитич. выражение помех. с-ла

где – приращение фазы помехового сигнала, изменяющегося во времени по случайному закону,

k_ФМ – крутизна фазов. модул. харак-ки передатчика.

Т.О., для получения ФМШП необходимо иметь СВЧ прибор с линейной фазовой характеристикой.

Существует много способов получения таких сигналов, но с СВЧ диапазоне наиболее часто используются ЛБВ.

Если на вход ЛБВ поступают колебания вида , то колебания на выходе:

где t_З (t ) – время запаздывания.

Преимущества ФМШП перед АМШП:

– отсутствие в ее спектре несущего колебания при достаточно глубокой модуляции;

– возможность простым изменением коэффициента усиления, т.е. U_ш (t ) весьма в широких пределах менять ширину спектра помехового сигнала.

Ширина спектра помехового сигнала:

При фазовой модуляции имеется возможность получать широкополосные помеховые сигналы с шириной спектра 10-100 МГц без расширения спектра модулируемого шума.

Однако при изменении U_ш (t ) в широких пределах возникает глубокая паразитная амплитудная модуляция, падает мощность передатчика помех.

Принцип построения передатчика шумовых радиопомех с чм

ЧМШП – непрерывное колебание, у которого несущее значение частоты w_П(t) изменяется по закону изменения модулируемых шумов.

w_П(t) = w₀ + k_ЧМ u_Ш(t) = w₀ + D w(t)

Так как текущее значение фазы и частоты связаны соотношением , то ЧМ помеховый сигнал можно записать: . Т.о. для получения ЧМШП необходимо иметь генератор, у которого приращение частоты модулир. колебаний прямо пропорц-но напряжению модулир. шумов.

Чаще всего в таких передатчиках применяют ЛОВ с ортогон-ми элек. и магн. полями. (ЛОВ–М) – магнетронного типа.

1-катод с системой фокусирования луча; 2-управляемый электрод (анод); 3-замедляющая система; 4-поглотитель элек-магн энергии; 5-коллектор элетронов; 6-холодный катод; 7-элемент связи замедл. системы с волноводом.

Вакуумный баллон помещается в магн. поле с индукцией В. Холодный катод представляет собой цилиндр, над которым расположена замедляющая система. Замедл. система имеет штыри (h »l ₀/4, где l ₀ – длина волны генерируемых колебаний). Каждая ячейка замедляющей системы представляет собой широкополосный колебательный контур из индуктивности, закороченной на конце длинной линии и паразитной емкости между штырями.

Под воздействием скрещен. полей на нач. участке электроны движутся по циклоиде, т.к. действует поле ускоряющего электрода и магн. поле. Далее циклоида выравн–ся и при правильно выбранной скорости вхождения электронов в пространство взаимодействия Ve=E/B на коллектор будет приходить поток электронов, сфокусированный в ленту. Если в первой из ячеек замедл. Системы возникнут колебания, напр., за счет флуктуаций тока луча, то за счет связи они возбудят колебания в соседних элементах. По замедл. Системе начинают распространяться навстречу потоку электронов – обратная волна, попутно – прямая волна. Прямая волна почти полностью поглощается поглотителем 4, а обратная наращивает энергию за счет отбора потенциальной энергии от электронного луча.

Поддержание положительного баланса передачи энергии переменному полю обратной волны достигается за счет выбора переносной скорости сгустков электронов ( ç Vф÷ =Ve, Vф – фазовая скорость обратной волны), чтобы сгустки каждый раз оказывались между зазорами замедляющей системы в момент, когда поле для них оказывается тормозящим.

Колебат. система ЛОВ-М имеет множ-во резонанс. частот. Изменением Ve можно изменить частоту генерируемых колебаний.

Преимущества ЧМШП перед АМШП: 1) изменением напряжения модулир. шумов можно в широких пределах изменить ширину спектра помех. сигнала; 2) при достаточно глубокой модуляции, когда ширина спектра помехи D f_П хотя бы в 2-3 раза превышает ширину спектра D f модулирующих шумов, в получаемом сигнале отсутствует несущее колебание и вся мощность генератора участвует в создании маскирующего эффекта подавляемой РЭС.

При эффективном значении (определяется как отношение эффективного значения отклонения частоты Dw _ЭФ от w ₀ к максимальной частоте модулирующего сигнала F_Ш.ВЫХ) индекса ЧМ m_ЧМ>>1 ширина спектра помех D f_П = 2D F_Ш m_ЧМ .

ЧМШП применяется для создания заградительных помех D f_П >>D f_ПРМ, для кот. колебания в приемнике превращается в АМ-ные, а точнее, в импульсные случайные по моментам появления. Так как f_П случайна, то моменты попадания ее в полосу приемника также случайны.

26. Принцип построения передатчика хаотических импульсных помех

Хаотич. импульсн. помехой назыв. последовательность радиоимпульсов, у которых длительность t_u, амплитуда Um, период повторения Тп явл-ся случайными величинами, а несущ. частота f₀ = const.

Энергетически выгодно применять помехи, у которых Uш(t)=const. В этом случае генератор передатчика исп-ся в выгодном режиме, а в СВЧ диапазоне паразитная фазовая модуляция. Могут также исп-ся хаот. имп. помехи, у которых один параметр Тп – случайный, а t_u = const.

Модулирующие сигналы в передатчике ХИП формируют путем нелинейного преобразования шумов, имеющих достаточно равномерный спектр, F_min » 0, F_max=10⁵..10⁷ Гц.

Шумы, усиленные до необходимой величины, поступают на пороговое формирующее устройство. Для получения случайных импульс. послед-тей, у которых д.б. случайными как t_u, так и Тп, применятся триггер Шмидта. Полученная последовательность импульсов Uп(t) поступает в качестве модулир. напряжения на СВЧ генератор, в котором превращается в последовательность радиоимпульсов.

Настройка РЛС на частоту противника осущ-ся по сигналам разведприемника.

Хаот. имп. помехи применяют для подавления линий радиотелеграфной связи и команд. радиолиний управления ракетами.

построение передатчиков многократных ответных имп. радиопомех

МОП (многократные ответные помехи) – серия из N радиоимпульсов, излучаемых передатчиком помех в ответ на прием каждого импульса РЛС.

Помех. сигнал на входе приемника, подавляемого РЛС – на рис.

На экране индикатора РЛС обзора такая помеха будет имитировать N целей (боевой порядок). Удается также имитировать ложные цели и на направлениях, отличающихся от азимута цели ( j ₁ и j ₂ ) – прием помех по боковым лепесткам ДН антенны РЛС.

Использование таких помех не исключает возможность обнаружения постановщика помех. Однако МОП маскируют боевые порядки, затрудняют определение состава боевых групп. Отсутствуют также трудности для имитации ложных целей, упреждающих на экране РЛС отметку постановщика помех. Для этого необходимо в передатчике помех осуществлять задержку принятого сигнала РЛС на время T_П - t_З < D t< T_П, где t_З – время запаздывания зондирующего сигнала в РЛС. В этом случае импульсные МОП перейдут в i+1^-й период повторения, а их отметки упредят отметку постановщика помех на экране индикатора подавляемой РЛС.

Влияние таких помех м.б. устранено за счет несущей частоты РЛС. Если каждый импульс РЛС излучается на своей несущей частоте f₀_i, то импульсы помех, излученные в i-том периоде T_П_i поступят на вход приемника РЛС в момент, когда он уже настроен на f₀_i+1 и не будут приняты им. Также эффективной для борьбы с МОП является смена в небольших пределах периода повторения импульсов излуч-ых РЛС.

На рис – упрощен. структ. схема станции МОП.

Сигналы подавляемой РЛС, принятые антенной приемника усил-ся УРЧ, поступают на устройство длит. запоминания частоты и на ампл. детектор. В устройстве длит. запом-я принятый импульс превращ-ся в непрерыв. колебание, имеющее частоту близкую к частоте РЛС(f₀). Чтобы воздействие помех было эффективным, разность частот f_П–f₀ не должна превышать половины полосы пропускания приемника: f_П–f₀ £ D f_ПРМ. Если передатчик МОП не рассчитан на перенос импульсных помех из i-го в i+1-й период повторения, то вместо устройства длит. запом-я частоты может исп-ся устр-во кратковрем-го запоминания, что упрощает схему передатчика. В амплит. детекторе выдел-ся огибающая сигнала РЛС. После усиления и задержки импульс, выделяемый амплит. детектором запускает генератор пачки импульсов, который на каждый поступающий на его вход импульс выдает серию импульсов.

Принципы построения передатчиков ам помех по частоте сканирования

Кроме моноимпульсных продолжают использоваться системы АСН со сканированием ДН антенны. Основным недостатком таких систем является возможность их подавления при воздействии на них АМ помех, создаваемых из одной точки пространства:

e _П(t)=Em[1+ m_П(t)]cos w_Пt, ,

где m _п(t ) – мгновенная глубина модуляции,

k – коэффициент пропорциональности.

В зависимости от ширины спектра модулирующего сигнала U_M (t ) помехи делятся на прицельные и заградительные. Для прицельных , где - полоса пропускания системы АСН, для заградительных , где - диапазон возможных частот сканирования. В этом случае в станции помех возможно выделение огибающей с и ее использование при формировании помехи. Заградительные помехи создаются, когда неизвестно конкретное значение частоты сканирования .

При создании прицельных помех формируется . При создании заградительных помех в качестве может использоваться шум. При воздействии заградительных помех на систему АСН выделяют только те составляющие спектра, помехи которого отстоят от на величину . По эффективности они уступают прицельным.

Упрощенная структура станции помех системы АСН со сканированием ДН антенны показана ниже.

Станция может быть построена с использованием принципа ретрансляции зондирующего сигнала подавляемой РЛС или путем запоминания частоты зондирующего сигнала. В обоих случаях колебания с выходного усилителя У₁ или устройства запоминания частоты УЗЧ модулируются по амплитуде в модуляторе М колебаниями генератора модулируемого сигнала ГМС U_M (t ). После усиления по мощности в У₂ помеха излучается передающей антенной Апрд в направлении подавляемой РЛС. В качестве ГМС может использоваться генератор шума или ЧМ генератор со скользящей частотой сканирования. В первом случае формируются заградительные шумовые помехи, а во втором – заградительные помехи со скользящей частотой сканирования. Для получения помехи во втором случае используется направляющее пилообразное напряжение, подаваемое на ЧМ генератор. При формировании прицельных помех в качестве модулирующего сигнала используется огибающая принятого сигнала подавляемой РЛС, которая выделяется детектором огибающей ДО. Следующий блок обеспечивает ее сдвиг по фазе на 90 градусов. В качестве усилителей У1 и У2 и модулятора М могут использоваться ЛБВ. УЗЧ используется в том случае, если подавляемая РЛС работает в импульсном режиме.

Принцип построения станции помех системам АСД

Для подавления системы АСД применяются два вида помех:

– маскирующие (непрер. шумовые);

– имитирующие (уводящие по дальности).

В качестве маскирующих помех используются все известные виды шумовых помех.

При их действии возможны:

– ложные захваты по шумам;

– срыв сопровождения по дальности или создание ошибок в измерении дальности или скорости цели в режиме автосопровождения.

Уводящие помехи по дальности представляют последовательность ответных импульсов, задержанных относительно полезного сигнала на величину t _УВ , изменяющуюся от 0 до определенного значения. Эти помехи осуществляют увод строба дальности и прекращения автосопровождения.

Схема станции уводящих по дальности помех изображена ниже.

Принятые и усиленные в усилителе У1 сигналы подавляемой РЛС поступают на амплитудный детектор АД и устройство кратковременного запоминания частоты УЗЧ. Видеоимпульс с выхода АД проходит через цепь управляемой временной задержки ЦУВЗ. Закон изменения τ_зад в простейшем случае показан на рисунке б. Сигнал также поступает на вход УЗЧ, на выходе которого образуется радиоимпульс длительностью t_ЗАПОМ > t_УВ и частотой f_Помехи , удовлетворяющей условию

где D fпрм – полоса пропускания приемника подавляемой РЛС.

Модулятор М открывается только в момент появления на его управляющем входе задержанный импульс, на его выходе формируются задержанные радиоимпульсы.

Наряду с циклами увода t _ув используются интервалы молчания T_М . При создании шумовых помех канал формирования задержанных импульсов отсутствует. В этом случае в качестве модулирующего сигнала в модуляторе используется шум, вырабатываемый генератором шума. Усилители У1, У2 и модулятор м.б. выполнены на ЛБВ.

Принцип построения станции помех системам АСС

Для подавления систем АСС, как и АСД, используются непрерывные шумовые и уводящие по скорости помехи. При действии их возможны такие же случаи, как и на системах АСД (ложные захваты, срыв сопровождения, ошибки в измерении скорости цели). Помехи обычно создаются методом ретрансляции принятых сигналов РЛС.

Из-за высоких требований к ошибкам запоминания несущей частоты УЗЧ в таких станциях отсутствует. В качестве шумовых помех могут использовать все известные помехи с шириной спектра

D f_П ≥ D F_Д = 2D Vp / l ,

где D F_Д - диапазон изменения значений доплеровских частот,

D Vp - диапазон изменения скоростей полета целей (р - ракета),

l - длина волны подавляемой РЭС.

Чаще других используются ФМШП, формируемые с использованием ЛБВ. Уводящие по скорости помехи представляют собой ретранслированные сигналы подавляемой РЛС, несущая частота которых изменяется по пилообразному закону от f ₀ до определенного значения.

Эти помехи осуществляют увод строба скорости и прекращение автовосопровождения по частоте Доплера. Смещение сигнала по несущей частоте обеспечивается с помощью ВЧ управляемых фазовращателей (ЛБВ, намагниченные ферриты…), в которых реализуется фазовая модуляция подаваемых на них сигналов. Управляющее напряжение подается на второй (ускоряющий) анод ЛБВ и изменяет время задержки сигнала на величину . Тогда , где k – коэффициент усиления ЛБВ.

При формировании шумовых помех (ШП) в качестве управляющего напряжения используется шум с частотой f м. Чтобы частота изменялась по линейному закону, необходимо изменение управляющего напряжения по квадратичн. закону.

В реальн. передатчиках помех управл. напряжение измен-ся по закону, приведенному на рис.

Из рис. =>Uупр. представляет собой послед-ть несимм. временных имп-в с постепенно уменьш-ся длит-ю Ти. При использ-ии таких модулир. сигналов мгновен. частота колебаний от импульса к импульсу на выходе ЛБВ будет совершать скачки, которые с течением времени будут возрастать.

В процессе увода по скорости система АСН сопровождает постановщик помех без ошибок.

Для нарушения работы системы АСН необх-мо, чтобы передатчик помех работал в прерывистом режиме. Передатчик включается на время Тув. и выключается на время Тм.

Рассеивающие свойства техники и объектов

Пассивн. помехи созд-ся отражением элек-магн. энергии различными предметами или изменением условий ее распространения.

Возможность скрытия воен. техники пассив. помехами или уменьшение ее заметности при наблюдении зависит от способности рассеивать падающую на нее элек-магн. энергию.

Различают:

– зеркальное отражение;

– диффузное;

– резонансное.

Зеркальное отражение возникает при облучении плоск. поверхности.

Дифф. отражение – отражение от шероховат. поверхности, неровности которой сравнимы с длиной волны.

Резонансное отражение возникает, если линейные размеры отраж. объекта равны половине длины волны облучающей волны или нечетному числу длин полуволн. Такое отражение обладает резко выраженной направленностью.

Отраж. св-ва объектов оценивают эффективной площадью рассеивания (ЭПР) – площадь попереч. сечения воображаемой площадки, равной площади объекта, которая если поместить ее в точку нахождения цели, рассеивает всю падающую на нее энергию изотропно, т.е. равномерно во всех направлениях, создавая при этом такую же плотность потока мощности, как и реальная цель.

ЭПР объекта s ₀ – количеств. мера отношения плотности потока мощности отраж. сигнала к плотности потока мощности элек-магн. волны, падающей на объект:

s ₀= 4*p *R² *(П_ОТР / П _ПАД), [м²] или [дБ],

где R – расстояние от рассм. тела до антенны РЭС.

ЭПР зависит от :

– размеров;

– конфигурации;

– ориентации отраж. объекта;

– материала, из которого он изготовлен;

– длины волны;

– поляризации излучений РЛС.

ЭПР отражателей с прав. геометрич. формой вычисляют, а реальн. объектов определяют экспериментально. Но на практике пользуются средним значением ЭПР, полученным в результате матем. расчетов или обработки эксперимент. наблюдений

Дипольные радиоотражатели

Для создания пассив. помех применяют полуволновые вибраторы (диполи). Сигналы, отраженные от облака диполей могут превысить интенсивность сигналов, отраженных от группы самолетов. Дипольн. отражатели предст-т собой тонкие пассивные вибраторы из металлизир. бумаги, алюмин. фольги, метал. стекловолокна.

Maкс-ую величину ЭПР имеют диполи с длиной волны, близкой к половине длины волны подавл. РЛС.

На практике длина диполь. отраж-ля

l _Д=0,47 l .

После выбрасывания диполи рассеиваются и образуют облако, которое перемещается в горизонтальном направлении со скоростью ветра. В вертикальном направлении диполи образуют две группы: быструю и медленную.

При выбрасывании большого колич-ва диполей на экране индикатора кругов. обзора образ-ся засвечен. полоса, вытянутая в направлении ветра, маскирующая отметки целей.

ЭПР облака из n диполей, размеры которого не превышают имп. разреш. объем РЛС, равна произведению ЭПР отдельн. диполей на их колич-во.

s ₀= n_Д * s _Д

Из-за турбулентности атмосферы и различ. аэродинамич. св-в отражатели, наход-ся в облаке ориент-ся произв-но, поэтому при расчетах учитыв-ся среднее значение их ЭПР:

s _СР » 0,17*l ²_РЛС .

Обычно дипольные отражатели комплектуются в пачки. Количество их в одной пачке, имитирующей цель с ЭПР равной s _С можно найти:

n_Д = s _С / s _Дср = s _С / (0,17*l ²_РЛС ).

Под давлением воздушного потока и перегрузок диполь. отраж-ли ломаются и спутываются. Из-за этого их ЭПР снижается. Поэтому в пачку укладывают больше диполь. отраж-лей, чтобы получить большее значение s _С

s _П = 0,17*l ²*n_Д* h

Дипольные отраж-ли разбрас-ся с помощью специальных автоматов, ракет, мин и т.д.

Уголковые отражатели

Уголковый отражатель (УО) – жесткая конструкция из двух взаимно перпендикулярных граней, электрически соединенных между собой. Простейший УО – двугранный угол. Наиболее часто используются трехгранные УО с треугольной, прямоугольной или круглой формой граней.

Внутренние поверхности граней, если их размеры значительно превышают длину падающей волны, образуют систему из трех зеркал. При падении на них р/волн после третьего отражения формируется пучок лучей, рапространяющихся в обратном направлении.

Диаграмма рассеяния (ДР) имеет три максимума: центральный образуется волной, падающей параллельно оси симметрии отражателя за счет трехкратного отражения от граней; боковые – в результате двухкратного отражения.

УО с малыми размерами дают высокую эффект. площадь рассеивания. Интенсивность рассеивания зависит от размеров и формы граней УО, материала из которого он изготовлен и от направления падения волны. Наиб. интенсивность рассеив-я, когда грани уголка строго взаимно ^ -ны, т.к. отклонение от прямого угла в один градус уменьшает ЭПР в 5 раз.

Расширить ДР можно объединением УО. Каждая грань УО меняет направление вращения поляризации волны на обратное. Это можно устранить, покрыв одну из граней слоем диэлектрика.

Основной недостаток комбинированных УО – наличие глубоких провалов в ДР. Избежать провалов можно вращением группы отражателей. При этом образуется ДР, соответствующая средней ЭПР.

Можно получить АМ отраж. колебаний, если применить качание граней, изменение их площадей и применить поглощающий экран. Также можно осуществить ФМ или ЧМ, если создать конструкцию их четырех УО, кот. будут вращаться, напр. под действием ветра.

Линзы Люнеберга

ЛЛ – представляет собой диэлектрический шар. На рисунке изображена траектория лучей в линзе. Точка О является источником отражаемых эл. м. волн. Она создает на выходе синфазное разделение поля. Максимум диаграммы рассеяния (ДР) совпадает с направлением перехода падающей волны: , где R – радиус линзы.

Ширина ДР линзы зависит от размеров металлической поверхности сферы. Так для металлической поверхности сферы в 1/4 поверхности круга ширина ДР составляет около 90° . Увеличить ширину ДР можно применяя всенаправленную линзу Люнеберга, кот. имеет центрирование относительно экватора – отражающее кольцо. Положение кольца определяет положение max.

Увеличение металлического кольца приводит к расширению ДР, но одновременно уменьшается ЭПР линзы. Это противоречие можно разрешить в линзе с кольцом в виде решетки из параллельных проволок навитых под углом 45° . Эта линза называется Гелисферой.

Падающая на Гелисферу эл. м. волна с линейной поляризацией под углом 45° проходит через фронтальную часть кольца и отражается от противоположной части кольца. Для других поляризаций (вертикальная, горизонтальная) будут поляризационные потери около 6 дБ. Также можно изготовить линзы полые гелесферические отражатели. Внутри каркаса из проволоки располагается металлическое кольцо.

Основные понятия и определение помехоустойчивости.

Обеспечение необходимого отношения сигнала к помехе

Помехоустойчивость характеризует способность РЭС и систем работать с требуемым качеством при воздействии помех. Ее оценивают вероятностью выполнения РЭС задач в условиях преднамеренных и непреднамеренных помех. За количественную меру помехоустойчивости принимают точность воспроизведения сигналов в месте приема в условиях помех или отношение мощностей сигнала и помехи (шума). При этом имеется в виду такое отношение P_C/P_П , при котором обеспечивается заданное качество приема информации.

Кроме того помехоустойчивость можно оценивать вероятностями ложной тревоги и пропуска цели, помехами при передаче дискретных данных и т.п.

Помехоустойчивость обеспечивается применением технических способов и средств защиты от помех, которыми являются:

1) получение необходимого отношения сигнал/помеха в приемнике;

2) накопление сигналов в р/приемном устройстве;

3) предотвращение перегрузки приемных устройств;

4) селекция и фильтрация сигналов;

5) помехоустойчивое кодирование и др.

Возможно также применение оптимальных способов приема и самонастраивающихся адаптивных систем, способных свести к минимуму эффективность воздействия помех на РЭС.

Необходимое превышение полезного сигнала над помехой в месте приема на входе или в тракте приемника можно получить увеличением электрического потенциала (произведение получаемой мощности на коэффициент усиления антенны передатчика) и накоплением в РЭС сигналов.

Увеличение энергетического потенциала достигается за счет повышения излучаемой мощности передатчика и коэффициента усиления антенны РЭС. В послевоенный период мощность некоторых типов РЛС сантиметрового диапазона увеличена в 30-40 раз и достигает нескольких МВт., а коэффициенты усиления их антенн возросли в 8-10 раз. Это позволило повысить энергетический потенциал некоторых типов РЭС в 300-400 раз и тем самым улучшить их ПУ. Но с возрастанием энергетических потенциалов увеличивается вероятность появления непреднамеренных помех между РЭС.

Накопление сигналов

Накопление сигналов осуществляется в устройствах, которые работают на принципе приема серии периодических импульсных сигналов при воздействии на РЭС преимущественно широкополосного шума. Этот способ основан на различии статических характеристик сигналов и шумовых радиопомех. Сигналы могут накапливаться в накопителе в одной и той же фазе (когерентное накопление) или без учета фазы (некогерентное накопление).

Для накопления сигналов используются сумматоры или интеграторы.

Сущность метода накопления при использовании сумматора сводится к тому, что в течение заданного времени Тн в смеси сигнала и помехи берется заранее установленное количество отсчетов. Значения Uсм(t) в точках отсчета суммируются, а затем на основании суммарного сигнала решающее (пороговое) устройство дает ответ о наличии или отсутствии полезного сигнала в смеси U_см(t).

Когда применяется интегратор, на решающее устройство поступает сигнал, пропорциональный .

Время накопления Т_н выбирается таким, чтобы можно было выявить статистические свойства действующей помехи, но при этом не должны заметно изменяться параметры передаваемой информации или сигналов, отражаемых целью. Накопление импульсных сигналов улучшает отношение мощностей сигнала и широкополосной шумовой помехи на выходе в несколько раз по сравнению с аналогичным отношением на входе.

В качестве накопительных элементов применяют линии задержки, магнитные барабаны, ЭЛТ с длительным послесвечением или с накоплением заряда, а также интегрирующие устройства других типов.

Сигналы могут накапливаться до детектора (додетекторное накопление) или после детектора (последетекторное накопление).

Структурная схема последетекторного накопления приведена на рис.

Разновидностью метода накопления является дублирование, при котором один и тот же сигнал передается N_Д раз.

Метод дублирования применяется при борьбе с маскирующими радиопомехамив системах радиотелеграфной связи, передачи данных и в командных радиолиниях. Различают временное (р/сигналы передаются последовательно во времени), частотное (сообщение передается одновременно при помощи поднесущих колебаний) и кодовое (многократная передача информации, закодированная кодовыми комбинациями) дублирование.

Предотвращение перегрузки РЭС помехами

Приемники, предназначенные для приема мощных АМ и импульсных сигналов, под действием мощных помех и сигналов могут перегружаться. При этом они перестают реагировать на изменение амплитуды входного сигнала и теряют возможность воспроизводить передаваемую информацию. Перегрузка наступает из-за того, что режим работы усилительных электронных приборов становиться нелинейным. Перегрузка может произойти в любой части приемника: в УПЧ, в амплитудном детекторе, в УНЧ, но, прежде всего, перегружается последний каскад УПЧ.

Если перегрузки нет, то зависимость амплитуды выходного напряжения УПЧ от амплитуды напряжения на входе смесителя имеет линейный характер. После достижения верхней границы динамического диапазона амплитуда выходного напряжения остается постоянной или убывает, несмотря на увеличение входного сигнала.

Исключить или уменьшить перегрузку приемника можно автоматической регулировкой мощностей сигнала и помехи, поступающих на вход приемника. Для этого применяют АРУ, усилители с нелинейной (например, с логарифмической) амплитудной характеристикой и др. способы.

АРУ позволяет уменьшить усиление мощных импульсных помех с малой скважностью (прерывистые помехи) при усилении полезных сигналов. При неработающей АРУ напряжение помехи большой мощности перегружает каскады усиления, а если АРУ включена, а на входе действует помеха, то в АРУ образуется отрицательное напряжение, кот. смещает рабочую точку в область малых коэффициентов усиления. Логарифмический приемник обладает широким динамическим диапазоном. Логарифмическую характеристику получают в результате применения обратной связи, шунтирования нагрузок нелинейным элементом… Наибольшее распространение нашел способ реализации логарифмического усилителя – последовательное детектирования с последующим суммированием. ЛУ такого типа бывают с последовательно и параллельно включенными усилителями.

Пространственная селекция

Пространственную селекцию обеспечивают с помощью антенн, имеющих острые ДН и малые уровни боковых лепестков.

Антенны с узким лучом обеспечивают получение большого усиления, высокой разрешающей способности и помехоустойчивости. Их применяют в радиолокационных, радиорелейных, тропосферных станциях и системах радиоуправления. Но приемная антенна одинаково усиливает как сигналы, так и помехи, приходящие с одного направления. Кроме того, полностью избавиться от влияния помех, приходящих с разных направлений, не позволяют многочисленные боковые лепестки приемной ДНА. Уровень боковых лепестков снижают применением радиопоглощающих покрытий или экранов в местах, рассеивающих электромагнитную энергию, повышением точности изготовления антенн, а также рациональнымраспределением амплитуд и фаз электромагнитного поля в раскрыве антенны. Перечисленные меры позволяют снизить боковые лепестки ДНА до уровня на 30-40 дБ. ниже основного лепестка.

Дальнейшее снижение влияния радиопомех, принимаемых боковыми лепестками, обеспечивается схемами компенсации (вычитания). Структурная схема компенсации радиопомех, принимаемых боковыми лепестками, приведена на рис. Основной и компенсационный радиоприемники состоят из смесителей, УПЧ, детекторов, остронаправленной А0 и всенаправленной Ак антенн. Кроме того, в станции имеется гетеродин и вычитающее устройство.

Радиопомехи, принимаемые по боковым лепесткам, компенсируются в вычитающем устройстве при условии, что напряжения сигналов и помех, образуемые на нагрузке детекторов обоих приемников, начинают действовать в одно и то же время и имеют одинаковые длительности и огибающие. Схема одновременно с помехами частично ослабляет и полезные сигналы.

Боковые лепестки устраняются или ослабляются компенсаторами боковых лепестков, увеличением апертуры антенны или уменьшением длины рабочей волны РЭС.

Амплитудная селекция

Амплитудная селекция основана на выделении полезных сигналов среди помех в зависимости от значений их амплитуд. Амплитудная селекция обеспечивается ограничителями и логическими схемами. Ограничение проводится селекторами по уровню. Простейшее устройство амплитудной селекции представляет собой диодный ограничитель, исключающий прохождение посторонних импульсов, превышающих по амплитуде полезные сигналы. Диодные ограничители как вспомогательные средства применяют для ослабления мощных импульсных помех в радиоприемниках с частотной модуляцией сигналов и в приемниках РЛС.

Наиболее распространены схемы защиты РЭС от мощных импульсных помех, обеспечивающие запирание приемника в моменты прихода помехи

Принятые сигнал 2 и помеха 1 подаются одновременно на каскад совпадения и на ограничитель. Если амплитуда превышает заранее установленный уровень ограничения Uогр, то на выходе ограничителя образуется отрицательный импульс 3, который подается на каскад совпадения. Под действием этого импульса каскад запирается и не пропускает помеху на выходе приемника. Сигналы с амплитудой, меньшей Uогр , проходят через каскад совпадения.

Когда полезные сигналы по амплитуде значительно превышают помехи, осуществляется селекция сигналов при ограничении снизу и сверху. При ограничении снизу напряжение на выходе ограничителя Uвых(t), появляется только тогда, когда входной сигнал превышает уровень ограничения.

Если ограничить ВЧ колебания снизу и сверху и суммировать выходные напряжения ограничителей, то можно вырезать вх. напряж. с амплитудой çU_ВХ(t)ï <U_ОГР.

Амплитудные ограничители обеспечивают защиту не от всех видов импульсных помех, поэтому их используют обычно в качестве вспомогательных элементов в составе селекторов по длительности импульсов.

Применение систем автоматического слежения за частотой.

Схема с клистронным гетеродином

Селективные свойства, зависят от спектра принимаемых сигналов, а также от нестабильности несущей частоты радиопередатчика и частоты настройки гетеродина радиоприемника.

В отличие от передатчиков, частоту которых можно стабилизировать, гетеродины приемников, гетеродины радиоприемников должны перестраиваться в широкой полосе частот. Поэтому основное значение приобретает способ, основанный на использовании систем автоматического слежения за частотой.

Один из вариантов построения функциональной схемы системы АСЧ с клистронном гетеродином приведен на рис

В результате смешения частоты f₀ опорного сигнала (непрерывного или импульсного) и частоты fкл сигнала клистронного генератора образуется напряжение разностной частоты f, которое после прохождения усилителя разностной частоты (УРЧ) и ограничителя (Огр) поступает на частотный детектор (ЧД).

Если захвата нет, то включено устройство широкодиапазонного поиска: с помощью двигателя (Дв) осущ-ся механич. перестройка клистрона так, что его частота изменяется по линейному закону. По достижении конца диапазона происходит реверс двигателя и перестройка идет в обр. направлении. Одновременно в процессе перестройки с помощью программного потенциометра (П) изменяется напряжение на отражателе таким образом, что все время обеспеч-ся max мощности в выбранной зоне генерации клистрона. Устройство остановки поиска (УОП) (выключения двигателя) срабатывает в тот момент, когда разностная частота f входит в раствор харак-ки частотного дискриминатора, если только есть разрешение с логич. схемы ликвидации ложной настройки (ЛЛН). Выбег двигателя и застой должны быть такими, чтобы после выключения разностная частота находилась в пределах полосы схватывания электронной петли системы АСЧ. Эта петля замыкается через фильтр (Ф), усилитель постоянного тока (УПТ) и отражатель клистрона.

Для повышения надежности ввода системы в режим слежения в петлю электронного регулирования может включаться дополнительное устройство поиска (УП) в узком диапазоне с последующим переводом в режим слежения.

После остановки двигателя расстройка ликвидируется за счет действия электронной петли, в этом режиме двигатель из системы слежения исключается, а устройство поиска действует как усилитель. Двигатель вновь вкл-ся только в случае длительных и значительных уходов частоты f.

Применение систем автоматического слежения за частотой.

Схема с подстройкой по принимаемому сигналу

В системах АСЧ без опорного сигнала основное внимание уделяется обеспечению наивыгоднейших условий поиска и захвата системы АСЧ, наилучшей помехоустойчивости (минимальные ошибки, наименьшая вероятность срыва слежения и т. д.).

Функц. схема системы приведена на рис. В схеме кроме основной петли регулирования, состоящей из смесителя (См), усилителя разностной частоты (УРЧ), ограничителя (Огр), частотного детектора (ЧД), фильтра (Ф), управителя (У) и гетеродина (Г), имеются дополнительные элементы: генератор поиска (ГП), логическую схему захвата (ЛСЗ) и реле захвата (РЗ), которое переключает систему из режима поиска (П) в режим захвата (3). Благодаря такому устройству частота генератора в режиме поиска не зависит от напряжения на выходе ЧД.

Помехи, проникающие на выход ЧД в этом режиме, не оказывают влияния на работу генератора поиска и не меняют принятой заранее логики перевода системы в режим слежения.

Поляризационная селекция

Поляризационная селекция основана на определении в пространстве ориентации элек. вектора Е элек-магн. волны за период несущего колебания. Различают линейную, круговую и эллиптическую поляризации. При линейной поляризации пространственная ориентация вектора Е остается неизменной, а поляризационная диаграмма представляет собой прямую линию. Круговая поляризация отличается тем, что вектор Е, имеющий постоянную амплитуду, вращается с постоянной угловой скоростью вокруг направления распространения. При этом конец вектора описывает окружность. Период вращения равен периоду электромагнитного колебания. При эллиптически поляризованной конец вектора Е описывает при вращении эллипс. При этом модуль вектора Е и угловая скорость его вращения претерпевают периодические изменения за период вращения.

В зависимости от того, изменяются параметры поляризационной диаграммы с течением времени или остаются постоянными, электромагнитные волны делят на три группы: полностью поляризованные, частично поляризованные и неполяризованные. Если вектор Е линейно поляризованной волны ориентирован вертикально, то волну называют вертикально поляризованной, если горизонтально, то волну называют горизонтально поляризованной.

Различия в поляризации используют при выделении сигналов из помех методами поляризационной селекции.

Поляризационным селектором является любой антенно-фидерный тракт радиоприемника. Для приема полезных сигналов поляризация приемной антенны должна соответствовать их поляризации. Так, вертикальный вибратор принимает только вертикально поляризованные колебания и не принимает волн с горизонтальной поляризацией. Если поляризация помехи сохраняется постоянной, то изменением параметров поляризации полезного сигнала и антенно-фидерного устройства можно уменьшить действие помехи, не ослабляя сигнала. Максимальное ослабление помехи достигается в том случае, когда плоскости поляризации сигнала и помехи перпендикулярны или векторы Ес и Еп напряженностей электрического поля вращаются в противоположных направлениях.

Поляризационная селекция используется при защите РЭС как от естественных, так и от преднамеренных активных и пассивных радиоэлектронных помех. Для преднамеренных помех она может быть пассивной и активной.

Пассивная достигается согласованием поляризации принимаемого сигнала и антенны. Активная обеспечивается поляризационным фильтром – сеткой из параллельных металлических пластин или проволок. Роль поляризационного фильтра может выполнять отражатель антенны, если его сделать прозрачным для помех.

Поляризационные селекторы эффективно выделяют сигналы, отраженные целями, на фоне сигналов от уголковых радиоотражателей.

ВРЕМЕННАЯ СЕЛЕКЦИЯ

ВС полезных импульсных сигналов на фоне помех основана на отличии селектируемых импульсов от импульсов помех по временному положению, частоте повторения и времени длительности. Для импульсов РЭС наряду с шумовыми помехами достаточно универсальными считаются хаотические импульсы помехи. Защита от хаотических импульсных помех может осуществляться с помощь временной селекции.

Рассмотрим селекцию импульсов по временному положению используемого в РЛ. Под такой селекцией понимают выделение почти периодического импульса смещенных относительно опорных на некоторый временной интервал. Этот временной интервал является линейно изменяющейся функцией времени, так что за время следования опорных импульсов меняется незначительно. Различают две группы систем автоматической временной селекции по временному положению в зависимости от того имеются в месте приема опорные импульсы или отсутствуют. Примером системы первой группы служит система АСД (автоматическое сопровождение по дальности) в импульсной РЛС (импульсный автодальномер).

Схема состоит из временного различителя (ВР), промежуточных элементов (ПЭ) (ФНЧ, корректирующие цепи, интегратор), устройства времени задержки (УВЗ), с кот. на ВР подаются следящие импульсы. Во ВР вырабатываются напряжение U _ВР кот. зависит от временного рассогласования b между осью пожлежащих селекций импульсов и осью следящих импульсов. Си задерживаются относительно опорных (ОИ) на время t _И пропорциональное управляющему напряжению U_У снимаемому с ПЭ.

ВР – это сравнивающий элемент сист. кот. действует в течении короткого времени и осуществляет преобразование временного преобразования b в напряжение U _ВР. Следящая система действует таким образом, что временное рассогласование b приводит к такому изменению U _ВР и соответственно U_У при кот. следящие импульсы вырабатываемые УВЗ смещаются в сторону уменьшения b . Временная селекция обеспечивается подачей в приемник (ПР) специального селекторного импульса (Си), кот. вырабатывается в УВЗ. ПР все время заперт и отпирается только на время поступления Си. Си перемещается вместе со следящими импульсами. Обычно длительность Си близка к суммарной длительности следящего импульса. Если информация кот. несет последовательность селектируемых импульсов заключена в их амплитуде например в системах с коническим сканированием удобно установить еще один селекторный каскад (СК) на который с УВЗ подается отпирающий импульс С. При помехах большего уровня в системах АСД может наступать срыв слежения. Для увеличения помехоустойчивости системы при наличии пассивных помех, а также при сопровождении групповых целей используется слежение за фронтом и срезом импульса. Для этого Си пропускаются предварительно через дифференцирующую цепь. Затем строится система с двумя следящими импульсами, т.е. производится слежение за фронтом и срезом.

Селекция движущихся целей. Когерентно-импульсный метод

Реальные цели, искусственные и естественные радиоотражатели имеют неодинаковые скорости. Поэтому отраженные от них радиосигналы отличаются один от другого. Эти отличия используются при защите РЛС от пассивных радиопомех способами СДЦ по скорости.

Наиболее эффективная защита от пассивных радиопомех достигается при применении в РЛС аппаратуры СДЦ, действующей на принципе сравнения фаз или частот принятого и излученного радиосигналов. Для выявления различий используется опорный сигнал, когерентный (жестко связанный) по этим параметрам с излученным сигналом РЛС. При сложении когерентных сигналов суммируются (векторно) их напряжения; при сложении некогерентных сигналов складываются их мощности.

В зависимости от вида зондирующего сигнала и метода сравнения параметров отраженного и опорного сигналов различают когерентный метод при непрерывном излучении сигналов и когерентно-импульсный метод СДЦ.

Когер-имп метод применяется в импульсных РЛС при сравнении фаз отраженного и опорного импульсов, жестко связанных с моментом излучения передатчиком зондирующих сигналов.

В зависимости от способа получения опорного сигнала различают системы СДЦ с внутренней и внешней когерентностью.

Система СДЦ с внутренней когерентностью

Система генерирует опорн. импульсы внутри РЛС. Сигналы передатчика поступают в антенну и на вход смесителя фазирования, где они смешиваются с колебаниями гетеродина приемника. На ФД поступает также принятый сигнал промеж. частоты f_пр . Фазы опорного и принятого сигналов срав-ся при каждом излучении зондирующих импульсов.

В результате биений U_пр и U_оп на выходе ФД образуются видеоимпульсы, амплитуда и полярность которых зависят от разности фаз этих напряжений. Изменения амплитуды выходных сигналов ФД приводит к тому, что отметки движущихся целей пульсируют с частотой Доплера.

Амплитуды отметок, образуемых неподвижными целями, не изменяются, т.к. разность фаз напряжений U_оп и U_пр от периода к периоду следования импульсов остается неизменной. Это позволяет различать отметки движущихся и неподвижных объектов.

Причины появления непреднамеренных помех

Непред. помехи создаются источниками искусст. происхождения, которые не предназначены для нарушения функц-ия РЭС. Они возникают при работе различного радиотехнического, электронного и электротехнич. оборудования. К непред. помехам можно отнести внутр. шумы устройств и приборов.

Причины:

1) Наличие большого количества РЭС, которое непрерывно возрастает.

2) Ограниченность освоенного элек-магн. спектра действующими РЭС. (3 Гц ¸ 300 ГГц – 40 ГГц(3 кГц ¸ 12 ГГц)) Исп-ие более ВЧ (н-р, мм и субмм волн), кот-ые обладают огромным колич-вом частотн. каналов, затруд-ся из-за их интенсивного поглощения в атмосфере и технич. трудностей создания аппаратуры.

3) Возрастанием мощностей излучения радиопередатчиков и чувствительности радиоприемников. В связи с повышением дальности действия, помехоустойчивости и надежности передачи и приема информации мощности отдельных типов РЛС увеличились в сотни раз и достигли десятков и даже сотен мегаватт в импульсном режиме.

4) Наличием в диаграммах направленности антенных систем, кроме основного лепестка, большого количества боковых и задних лепестков, имеющих относительно высокие уровни.

5) Наличием у РЭС нежелательных излучений и побочных каналов приема, расположенных за пределами рабочей полосы частот.

6) Возросшим уровнем индустриальных электромагнитных помех, генерируемых электротехническим оборудованием. По мере роста индустриализации уровень этих помех значительно возрастает.

Нежелательные излучения радиопередающих устройств

Это излучения на частотах, находящихся за пределами необходимой полосы частот. Они состоят из побочных и внеполосных излучений.

К побочным относят радиоизлучения, возникающие в результате любых нелинейных процессов в радиопередающем устройстве, за исключением процесса модуляции сигнала. Различают излучения на гармониках, субгармониках, паразитные, комбинационные, интермодуляционные.

Эти излучения вызваны нелинейными процессами, существующими в самом передатчике, а также фидере и антенне. В образовании интермодуляционных излучений, кроме того, принимают участие внешние электромагнитные поля, которые воздействуют на радиопередающее устройство. Независимо от конкретной природы побочные радиоизлучения характеризуются значениями частот, спектральной плотностью потока мощности, а также, с учетом свойств антенн, направленностью и поляризацией.

Р/излучение на гармонике – побочное излучение на частотах в целое число раз больших частоты основного излучения: f_гарм = mf₀, m=2,3,…n. Такие излучения присущи любым р/передатчикам и обусловлены нелинейностью амплитудных и фазовых характеристик активных элементов. Уменьшение уровня излучения гармоник достигается фильтрацией их промежуточным и антенным контурами.

Р/излучение на субгармониках - побочное излучение на частотах в целое число раз меньших частоты основного излучения: f_гарм = f₀/m. Это свойственно передатчикам, использующим умножение частоты. Уменьшение достигается с помощью фильтров передатчика и антенно-фидерных систем.

Паразитное – побочное р/излучение, возникающее в результате самовозбуждения передатчика из-за паразитных связей его каскадов. Его не частоты кратны частоте основного излучения: f_гарм ¹ mf₀, m=1,2,3,…1/2,1/3,… Паразитные излучения м.б. на частотах как ниже, так и выше основной частоты. Это связано с возникновением паразитных резонаторов на низких частотах в основных цепях питания, на высоких частотах – при параллельном соединении нескольких генераторных приборов, на СВЧ – в фидерном тракте.

Внеполосное радиоизлучение определяется как нежелательное в полосе частот, примыкающей к необходимой полосе радиочастот, и является результатом модуляции сигнала. Причинами возникновения его являются: применение для передачи сигналов с большей шириной спектра, чем это требуется для нормальной работы (импульсы с крутыми фронтами); нелинейность амплитудных и фазовых характеристик радиопередатчиков; наличие нелинейности в тракте формирования модулирующих сигналов; исп-ие квантования.

Неосновные каналы приема

Неосновные каналы приема могут быть разделены на побочные и внеполосные.

Основной канал приема характеризуется полосой частот, совпадающей с полосой пропускания (ПП) приемника. Побочный канал приема радиоприемника – это полоса частот, находящаяся за пределами основного канала приема. Побочные каналы приема образуются из-за нелинейности смесительных и усилительных каскадов радиоприемника и недостаточно высокой избирательности резонансных цепей основного канала.

Отдельные образцы радиоприемных устройств имеют несколько десятков каналов побочного приема.

По характеру воздействия на РЭС непреднамеренные помехи практически не отличаются от преднамеренных, а по интенсивности иногда превосходят их в виду небольших удалений от приемников РЭС. Как и преднамеренные радиопомехи, они засвечивают экраны ИКО РЭС и затрудняют обнаружение отметок целей, подавляют (маскируют) полезные сигналы, затрудняют прием или искажают передаваемую информацию, уменьшают дальность действия и пропускную способность РЭС и радиолиний.

Электромагнитная совместимость РЭС

Электромагнитная совместимость (ЭМС) – это способность РЭС функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных помех и не создавать недопустимых помех другим РЭС.

С увеличением количества источников и ростом интенсивности непреднамеренных помех стали приниматься меры по их снижению, улучшению параметров РЭС, более рациональному использованию ЭМ спектра и применению способов и средств защиты от помех.

Требования ЭМС начали учитываться при разработке, испытании и эксплуатации РЭС.

В начале при незначительной интенсивности непреднамеренных помех ЭМС обеспечивалось разносом рабочих частот РЭС. Затем международными и государственными радиочастотными организациями были установлена нормы на занимаемую полосу, стабильность частоты и уровни неосновных излучений радиопередатчиков и электровакуумных приборов, чувствительность каналов побочного радиоприема и другие характеристики. Были также установлены нормы на уровне индустриальных помех и на ширину спектра излучения многих устройств электротехнического оборудования.

Для разработки мероприятий по обеспечению ЭМС предварительно оценивается электромагнитная обстановка ЭМО (внешняя и внутренняя), сложившаяся в районе развертывания или действия РЭС.

Внешняя ЭМО харак-ся элек-магн. полем дальней зоны, образуемым источниками излучения, находящихся на значительных расстояниях.

Внутренняя ЭМО для отдельных устройств определяется уровнем поля ближней зоны, создаваемого основными и неосновными каналами излучения других средств системы, гетеродинов, источников электропитания, коммутаторов, электронно-вычислительной техники и других элементов.

ЭМО для радиоэлектронных систем самолетов, кораблей и подводных лодок определяется уровнем электромагнитных излучений радиоэлектронного и электротехнического оборудования. При оценке ЭМО учитываются три основные группы параметров излучения и приема, определяющие ЭМС РЭС:

1) энергетические и спектральныехарактеристики основных и неосновыных излучений радиоприемников, гетеродинов радиоприемников и различных источников излучений, определяющих внешнюю ЭМО, а также общий уровень шумов в местах расположения радиоприемников;

2) реальные чувствительности основных и побочных каналов приема;

3) коэффициенты связи между различными элементами излучающих устройств и приемников, входящих в радиоэлектронные системы.

Шпаргалки по авиационным приборам и измерительно-вычислительным комплексам. Часть 3

2014-11-07T15:18:48Z

Индукционный датчик магнитного курса. Особенности конструкции. Анализ источников погрешностей. Датчики магнитного курса с использованием эффекта Холла.

Датчик индукционного компаса включает чувствительный элемент, платформу, поплавок, карданов подвес и девиационный прибор. Внутренняя полость датчика заполнена жидкостью (75% лигроина и 25% масла МВП).

Основным компонентом индукционного компаса является чувствительный элемент из 2-х прямоугольных пластин из пермолоя с обмотками. На каждый стержень наносится первичная обмотка, соединенная встречно. Стержни соединены вплотную.

При пропускании потока первичная обмотка индуцирует магнитное поле, которое имеет удвоенную частоту. Вследствие равенства магнитных потоков в стержнях U₂ = 0. При определенном положении сердечника относительно магнитного меридиана U₂ = 0.

Магнитные сердечники жестко связаны с корпусом ЛА. При изменении положения ЛА относительно плюса изменяется намагничивание сердечника магнитным полем земли. При этом во вторичной обмотке возникает ЭДС, промодулированное удвоенной частотой питания.

На практике магнитоиндукционные датчики выполняются в виде 3-х стержней, соединенных отдельным образом, обычно под углом 120 градусов.

Обмотки соединяют по схеме треугольника.

В качестве измерительной схемы используют сельсин, указатель и соответствующий преобразователь.

Ротор выполнен в виде обмотки.

Сельсин имеет ротор, выполненный в виде обмотки. Выходной сигнал ИД подается на статорные обмотки сельсина.

Принципиальная схема индукционного компаса:

1 – чувствительный элемент; 2 – статор сельсина; 3 – ротор сельсина; 4 – усилитель; 5 – двигатель.

При изменении положения изменяются токи и, в зависимости от протекания токов в статорной обмотке, происходит изменение углового положения ротора. Изменение угла определяют углом поворота ротора сельсина. Сигнал с ротора, через усилители, подается на двигатель. С двигателя, через систему редуцирования, сигнал подается на указатель, величина которого определяется изменением меридиана (система астатического уравновешивания). Через двигатель и редуктор, ротор возвращается в обратное положение.

Магнитно-индукционные датчики монтируются с ГМК и используются с ДГМК.

Погрешности индукционного компаса при нормальных условиях не превышают ±1,5°.

Индукционному компасу присущи те же погрешности, что и магнитному:

1) наличие сил трения в опорах;

2) погрешность, связанная с воздействием ускорения на стрелку;

3) погрешность от положения ЛА (в северном или южном полушарии).

4) погрешность, обусловленная девиацией – наличие ферромагнитных материалов на ЛА, высокая коэрцитивная сила, материалы с малой остаточной намагничиваемостью (высокоуглеродистые стали и их намагничивание).

Различают полукруговую и четвертную девиации.

Для устранения девиации используются антидевиационные устройства.

Для устранения полукруговой девиации применяют девиационный прибор, по устройству подобный девиационному прибору недистанционного магнитного компаса.

Гироскопические датчики, их погрешности и математическая модель.

Гироскопом называют вращающееся вокруг оси симметрии с большой угловой скоростью тело вращения (ротор), одна из точек которого неподвижна. Ось zсимметрии ротора 1 (рис 1.1) называют осью фигуры или осью ротора гироскопа.

В большинстве гироскопических приборов для обеспечения свободы вращения ротора гироскопа вокруг неподвижной точки применяют карданов подвес, который состоит из двух рамок 2 и 3. Ротор 1 гироскопа с большой угловой скоростью W_y вращается вокруг оси y₁относительно внутренней рамки 2, которая может поворачиваться вокруг оси z относительно рамки 3, а последняя - вокруг оси x относительно неподвижной подставки 4.

Карданов подвес обеспечивает ротору гироскопа свободу вращения относительно трех осей (x, y₁ и z). Поэтому гироскоп, установленный в кардановом подвесе, называют гироскопом с тремя степенями свободы. Если центр масс гироскопа совпадает с точкой пресечения осей карданова подвеса, то такой гироскоп называется астатическим.

Рис.1.1. Гироскоп в кардановом подвесе:

1 – ротор гироскопа; 2 – внутренняя рамка гироскопа; 3 – наружная рамка гироскопа; 4 – подставка; W_y – собственная угловая скорость вращения ротора гироскопа; w_x - вектор переносной угловой скорости.

Для рассмотрения математической модели гироскопа обратимся к рис. 1.2. Положение ротора относительно подставки (оси xhz) определяется тремя углами a, b и g, которые получаются при последовательных поворотах гироскопа и отклонении его собственных осей x, y и z от осей неподвижного основания.

Согласно рисунку H – кинетический момент гироскопа; J_x и J_y – моменты инерции ротора гироскопа относительно осей x и y.

Рис.1.2. Маховик с тремя степенями свободы – гироскоп

Уравнения движения гироскопа согласно принципу Д’Аламбера имеют вид

(1.1)

где M_x и M_y – внешние моменты, действующие вокруг осей x и y (моменты от сил сопротивления трения в осях корданова подвеса, момент от силы тяжести, моменты, накладываемые на гироскоп специальными коррекционными устройствами и т. д.).

Уравнения (1.1) можно переписать так:

(1.2)

и - полное инерционное сопротивление, развиваемое гироскопом при действии на него внешних моментов M_x и M_y.

В теоретической механике при изучении законов движения гироскопа различают свободное и вынужденное движение гироскопа; свободное движение гироскопа, называемое нутацией, представляет собой движение по инерции, когда моменты внешних сил не действуют на гироскоп. Движение гироскопа, нагруженного моментом внешних сил, представляет собой совокупность вынужденного и свободного движения. Вынужденное движение гироскопа называется прецессией.

Закон нутационного движения можно получить, приняв в уравнениях (1.2) M_x=M_y=0.

Тогда

(1.3)

Решая систему уравнений (1.3) получаем дифференциальные уравнения, описывающие нутационное движение гироскопа.

(1.4)

Закон прецессии гироскопа можно получить из уравнений (1.2), если пренебречь инерционными моментами и по сравнению с гироскопическими моментами и . Тогда имеем

(1.5)

Наиболее важными бортовыми гироскопическими приборами являются авиагоризонты, указатели поворота, гирополукомпасы, а также выключатели коррекции. [1].

Геометрические (карданные), погрешности. Определение положения летательного аппарата относительно оси ротора, производится посредством намерения углов поворота a и b. Направление осей, вокруг которых отсчитываются углы a и b, в общем случае не совпадает с направлением осей отсчета углов, определяющих угловое положение летательного аппарата относительно опорной (базовой) системы координат. Это несовпадение осей является причиной появления карданных погрешностей.

Скоростные кинематические погрешности. Скоростные погрешности возникают вследствие движения опорной системы координат в инерциальном пространстве. Например, если в качестве опорной системы (координат выбран географический трехгранник в точке старта летательного аппарата, то скоростные погрешности определяются угловой скоростью вращения Земли. Для некорректируемых гироскопов скоростные погрешности находятся из кинематических соотношений при необходимости и могут быть учтены в бортовом вычислительном устройстве.

Кинематические погрешности. Кинематические погрешности возникают вследствие конического движения измерительных осей гироскопа в инерциальном пространстве. Такое коническое движение имеет место в результате действия инерционных моментов от рамок карданова подвеса или моментов сухого трения, которые возникают вследствие угловых колебаний летательного аппарата, динамической несбалансированности ротора гироскопа или угловых вибраций основания.

Инструментальные погрешности. Вследствие несовершенства элементов прибора на гироскоп действуют возмущающие моменты трения, моменты от статической несбалансированности, неравножесткости конструкции и т. п. Под действием этих моментов ось ротора прецессирует в инерциальном пространстве, отклоняясь от заданного направления, что приводит к появлению инструментальных погрешностей при определении углового положения летательного аппарата. К инструментальным погрешностям относятся также погрешности начальной выставки, погрешности датчиков угла и т. п.

Радиокомпас, принцип действия и его погрешности.

Курсовым углом радиостанции КУР называется угол, заключенный между продольной осью самолета и действительным направлением на радиостанцию. КУР отсчитывается от продольной оси самолета по ходу часовой стрелки до направления на радиостанцию от 0 до 360°.

Отсчетом радиокомпаса ОРК называется угол, заключенный между продольной осью самолета и измеренным направлением на радиостанцию. ОРК отсчитывается от продольной оси самолета до измеренного направления на радиостанцию от 0 до 360°.

Радиодевиация р- это угол, заключенный между измеренным и действительным направлениями на радиостанцию. Радиодевиация отсчитывается от измеренного к действительному направлению на радиостанцию вправо со знаком плюс (+), а влево со знаком минус (-). В современных радиокомпасах обеспечивается компенсация радиодевиации, и поэтому исправлений измеренной величины отсчета радиокомпаса производить не требуется.

Пеленгом радиостанции ПР называется угол между меридианом начала отсчета курса и направлением от самолета на радиостанцию. ПР отсчитывается от северного направления меридиана по ходу часовой стрелки до направления на радиостанцию от 0 до 360°.

В зависимости от начала отсчета курса самолета пеленги радиостанции могут быть истинными ИПР и магнитными МПР.

Пеленгом самолета ПС называется угол между меридианом радиостанции и направлением от радиостанции на самолет. ПС отсчитывается от северного направления меридиана по ходу часовой стрелки до направления на самолет от 0 до 360°. В зависимости от начала отсчета курса самолета пеленги самолета могут быть истинными ИПС и магнитными МПС.

Принцип работы радиокомпаса (кратко!!!)

Блок-схема радиокомпаса:

1 – рамочная антенна; 2 – открытая антенна; 3 – усилитель сигнала рамки; 4 – электронный переключатель; 5 – приемник; 6 – управляющая схема; 7 – звуковой генератор; 8 – двигатель поворота рамки; 9 – сельсин-датчик; 10 – указатель с сельсин-приемником.

В основу работы радиокомпаса заложен принцип измерения направления радиостанций по сигналу рамочной антенны.

Радиокомпас в своем составе имеет рамочную и открытую антенну. Диаграмма направленности для открытой антенны – круг:

Чувствительность рамочной антенны зависит от положения радиостанции. Если рамочная антенна находится перпендикулярно оси направления к радиостанции, то , если вдоль .

В состав АРК входят усилители, звуковой генератор для генерирования высокочастотных колебаний, система обратной связи, которая работает с использованием сельсина.

Сигнал с сельсина и двух антенн подается на усилитель. Двигатель поворачивает рамку до тех пор, пока сигнал по фазе сельсина не будет равен нулю и одновременно подается на указатель.

Принципы построения курсовых систем. Комплексная обработка информации от разных датчиков в курсовых системах и причины ее низкой эффективности.

Принципы построения курсовых систем.

Курс является одним из важнейших параметров, знание которого необходимо для решения задач навигации и управления. Для определения курса самолетов была создана самая многочисленная группа курсовых приборов и систем, основанных на различных физических принципах.

Направление меридиана можно определить на борту летательного аппарата с помощью компаса, гирокомпаса, радиокомпаса и астрокомпаса.

Первыми курсовыми приборами, применявшимися на самолетах, были авиационные магнитные компасы (АМК). В зависимости от назначения они отличались по своим точностным, габаритным и массовым данным. Наиболее точными были штурманские компасы типа А, использовавшиеся в навигационных целях, менее точными с меньшими габаритными размерами были компасы для пилота, а также аварийные (дублирующие) типа КИ.

Развитие идей и на их основе создание курсовых приборов и систем шло по линии обеспечения повышения точности и надежности определения курса в различных условиях и режимах полета, в различных географических районах, включая полярные области и области больших магнитных аномалий, а также по линии устранения дублирования.

Одна из первых таких идей состояла в том, чтобы в дополнение к АМК с целью облегчения управления (пилотирования) и обеспечения возможности выполнения разворотов в азимуте на заданные углы. использовать трехстепенный астатический гироскоп с горизонтальной осью собственного вращения ротора. Был создан прибор гирополукомпас (ГПК).

Пользование двумя приборами АМК и ГПК с периодической коррекцией показаний ГПК через каждые 10 ... 15 мин практически весьма затруднительно. Для решения этого вопроса и для последующего развития идей построения курсовых систем был разработан прибор с автоматической коррекцией на базе двух указанных. Магнитная система устанавливалась в опорах на кожухе гироузла. При рассогласовании положений оси гироскопа (кожуха) и магнитной системы на гироскоп (посредством пневмосистемы) накладывался момент, приводящий его в согласованное положение (в меридиан). Прибор получил название - гиромагнитного компаса (ГМК).

Магнитные дистанционные гидроскопические компасы типа ДГМК предназначены для определения курса и углов разворота ЛА. Чувствительным элементом ДГМК является магнитная система, устанавливающаяся по направлению компасного меридиана. В компасах ДГМК применяется потенциометрическая дистанционная передача. Указатели магнитного дистанционного компаса ДГМК-3 выдают компасный курс, указатели компаса ДГМК-5 совместно с радиокомпасом выдают компасный курс, курсовой угол радиостанции и магнитный пеленг радиостанции.

Наряду с курсовыми системами, основанными на использовании свойств МПЗ и применении гироскопов, с целью повышения точности и надежности определения курса в различных условиях и географических районах выдвигались и развивались идеи определения курса на другой физической основе. Используя закономерность движения небесных светил (в первую очередь Солнца), были созданы астрокомпасы для определения истинного курса.

Основными идеями построения астрокомпасов являются две: первая - построение модели автоматически действующей небесной сферы (точнее части ее), в результате чего образуется указатель истинного меридиана (экваториальный астрокомпас); другая - измерение курсового угла светила путем пеленгации последнего и вычисление азимута светила по данным координат местонахождения объекта и географического места светила (горизонтальный астрокомпас). Суммирование этих двух углов дает истинный курс. Астрокомпасы находят широкое применение, они лишены большинства недостатков, присущих компасам АМК и ДМК. Однако их функционирование возможно при оптической видимости Солнца и знании географических координат местонахождения.

Комплексная обработка информации от разных датчиков в курсовых системах и причины ее низкой эффективности.

Курсовые системы типа КС предназначены для определения и указания курса ЛА и углов его разворота, а также для указания пеленгов и курсовых углов радиостанции. Курсовые системы типа КС имеют три режима работы: гирополукомпаса (ГПК), магнитной коррекции (МК) и астрокоррекции (АК). Режим ГПК является основным режимом, Благодаря стабилизации гироузлов по крену в курсовых системах КС исключена карданная погрешность при кренах ЛА. В режиме ГПК система одновременно выдает гироскопический (ортодромический), магнитный и истинный курсы.

Курсовые системы типа КСИ предназначены для определения магнитного или гироскопического курса при любых углах крена и тангажа ЛА и определения курсовых углов и пеленгов радиостанций.

Курс ЛА определяется с помощью датчика с индукционным чувствительным элементом. Благодаря стабилизации гироузла гироагрегата по крену и тангажу по сигналам гировертикали в курсовых системах типа КСИ исключена карданная погрешность. Основным режимом работы КСИ является режим гирополукомпаса. Режим МК (при нажатой кнопке согласования) используется для начальной выставки системы по магнитному меридиану.

Курсовертикали типа СКВ-2Н являются централизованным устройством, объединяющим гироскопические и магнитные средства определения курса, гироскопические средства определения крена, и тангажа и выдачи их на указатели типа НПП, КПП и в бортовые системы, решающие задачи навигации, пилотирования и др.

Общее количество потребителей может быть: по курсу - 4, по крену - 7, по тангажу - 5. Для увеличения количества потребителей сигналов могут устанавливаться распределитель сигналов 1186В (по крену и тангажу) и блок БР-40 (по курсу).

Режимы работы.

Канал курса имеет три режима работы: гирополукомпаса (основной режим работы), магнитной коррекции, начальной выставки курса. Канал вертикали работает в одном режиме, обеспечивающем определение крена и тангажа ЛА.

Курсовые системы типа ТКС по принципу действия аналогичны курсовым системам КС и от курсовых систем этого типа отличаются выгодно тем, что имеют в 2-3 раза меньше величины ухода гироскопов в азимуте (0,5- град/ч, в то время как у курсовых систем типа КС допускается 2 град/ч).

Кроме того, при работе курсовой системы ТКС в режиме ГПК оба курсовых гироскопа работают в этом же режиме вне зависимости от положения переключателей "Коррекция" и "Потребители"; в курсовых системах типа КС с двумя гироагрегатами один гироскоп (основной или запасной) работает в режиме ГПК, а другой в режиме МК.

Роль и назначение СОИ на борту современных ЛА. Виды представления пилотажной, навигационной и иной информации на борту ЛА. Условия эксплуатации.

Роль и назначение СОИ на борту современных ЛА.

В процессе управления ЛА между пилотом и ЛА в комплексе осуществляется непрерывное информационное взаимодействие. Характер определяется типом и назначением ЛА, а также задачами полета.

Параметры, значения передаются по СОИ. Данную информацию пилот дополняет собственной информацией, получаемой от различных органов осязания.

На основании имеющейся информации формируется описание о состоянии ЛА. Пилот принимает решение о полученном параметре и воздействует на систему управления.

Система отображения информации – посредник между пилотом и ЛА.

Система отображения информации представляет различные виды отображения информации.

Практически пилот воспринимает информацию зрением, слухом и тактильным чувством, но до 90% всей информации приходится на органы зрения.

СОИ подразделяются на различные классы по 4-м признакам:

1) форма представления информации;

2) характер;

3) структура;

4) конструктивные признаки реализации.

По форме представления информации СОИ подразделяется на ассоциативные, текстовые, изобразительной формы отображаемой информации, цифровая, знаковая, алгоритмическая, структурная.

По характеру СОИ реализуются в виде постоянного представления информации, переменной информации, текущей информации, прогнозирующей информации.

По структуре СОИ подразделяются на однопараметрические, суммирующие, интегральные (обобщает несколько параметров), синтезирующая, командующая.

Конструктивный признак характеризуется компоновкой:

1) в виде приборных досок;

2) систем индикации информации на лобовом стекле (ИЛС);

3) шлемофоны.

Виды представления пилотажной, навигационной и иной информации на борту ЛА.

Выполненные в виде приборных досок, блоков сопряжения, панелей управления, систем звуковой и световой сигнализации, использ. защиту сети от к.з. и всевозможные преобразователи информации.

Все приборы подразделяются на 5 типов:

1) пилотажные приборы;

2) навигационные приборы;

3) приборы указывающие параметры других приборов и систем;

4) обзорные индикаторы;

5) Индикаторы подвижных средств и технических систем ЛА.

Вся информация, реализуемая СОИ оптимизируется для восприятия. Форма и цвет предмета при яркости символа 10 Кд/м, при 0,03 Кд/м – сумеречное восприятие. Восприятие возможно при значительной яркости символа.

Наравне с яркостью, важное значение имеет цветовое отображение информации: чувствительность глаза желтых и зеленых цветовых гамм, значительно ниже красных.

При проектировании происходит рассмотрение бинокулярного зрения. Моторная деятельность характеризуется моторным полем, скоростью перемещения, энергетическими затратами.

Скорость реакции зависит от типа и интенсивности раздражителя, подготовки настроения, возраста и определяется в секундах.

При обращении пилота к клавиатуре у него должна быть высокая скорость.

Этапами переработки информации пилотом можно перенести к выполнению следующих операций.

Этапы выполнения – сводятся к следующим операциям:

Опознавание и отбор, оценка приоритета, отброс устаревшей информации, получение недостающих данных, принятия решения, ввод информации в систему, управление – вмешательство в систему управления.

Как правило, пилот вводит поправку информации в систему, исходя из опыта, знаний и интуиции.

Оператор является неотъемлемой частью управления, следовательно создается интерфейс машина – человек.

Психофизическая деятельность человека на борту ЛА. Особенности деятельности человека-оператора на борту ЛА.

Психофизиологическая деятельность человека.

Информация на борту ЛА выдается на СОИ в форме, пригодной для восприятия человеком, поэтому их создание требует учета психологических и физиологических возможностей человека. Далее излагаются устройство зрительного анализатора, характеристики зрительного восприятия человека, моторные компоненты действия и психофизиологические требования, предъявляемые к системам отображения информации.

Для человека в АСУ органом, воспринимающим основное количество информации, является зрительная система.

Зрительные ощущения вызывает только свет, действующий на палочки и колбочки. в центральной части сетчатки — зоне наиболее ясного видения (область желтого пятна и центральной ямки) имеются только колбочки. В сетчатой оболочке имеется участок, с угловым размером в 5°; без фоторецепторов — слепое пятно. При наблюдении только одним глазом в отдельные моменты фиксации взгляда участок зрительного поля соответствующего размера не воспринимается. При взгляде на пред мет глаз непроизвольно устанавливается так, чтобы изображение предмета попадало на желтые пятна обоих глаз. Форма и цвет предмета воспринимаются только при яркости зрительного стимула не менее или равного 10 кд/м. При яркостях менее 0,003 кд/м функционируют только палочки (сумеречное зрение). Следовательно, различение цветов возможно лишь при достаточно высоких значениях яркости зрительного стимула. надежное и более тонкое различие цветовых оттенков возможно при яркости 175 кд/м Колбочки чувствительны к длине световых волн. При равенстве энергии воздействующих волн различия их длин ощущаются, как различия в цвете зри тельных стимулов. Глаз различает семь основных цветов и более сотни их оттенков. С изменением длины волны изменяется и качество ощущений. Длинам волн от 380 до 445 мкм соответствует ощущение фиолетового цвета, от 455 до 470 — синего, от 470 до 500 голубого, от 500 до 540— зеленого, от 540 до 590 — желтого, от 590 до 610— оранжевого, от 610 до 780 — красного.

Строением сетчатки объясняется факт лучшего обнаружения слабого светового стимула, если проекция его осуществляется на периферические отделы сетчатки, а не на центральные. В других условиях центральная зона сетчатки имеет преимущество в процессе зрения. Механизм преобразования зрительной информации следующий. Воздействие светового потока вызывает возбуждение фоторецепторов. В каждый момент времени совокупность возбужденных и невозбужденных фоторецепторов образует мозаичную картину изображения, проецируемого на сетчатку. Возбуждение фоторецепторов передается вторым нейронам сетчатки. Далее сигналы генерируются ганглиозными клетками. Кроме того, в сетчатке в это время осуществляется ряд операций преобразования первоначального нервного сигнала. Нервное возбуждение не является копией возбуждения фоторецепторов. Дальнейшее преобразование сигнала как процесс описания изображения осуществляется системами рецептивных полей более высокого ранга. Формирование же сложных признаков и принятие решения о визуально воспринимаемом объекте происходит как процесс преобразования информации в высших корковых отделах зрительного анализатора в их взаимодействии с корковыми отделами других анализаторов. Чувствительность фоторецепторов неодинакова к разным участкам спектра: наиболее высока к желтым и зеленым и значительно ниже к красным.

Ограничения поступления светового сигнала к фоторецепторам характеризуются величиной пространства, в пределах которого возможна проекция изображения на сетчатку глаз. Границы такого пространства, называемого полем зрения, определяются возможностями оптической системы глаз, площадью, характером распределения фоторецепторов и выступающими частями лица. Поле бинокулярного зрения является производным полей зрения обоих глаз. Оно состоит из участка, видимого двумя глазами одновременно (в центре) и участков в периферической области, входящих в поле зрения только одного из глаз. Область перекрытия полей зрения левого и правого глаз является областью наиболее ясного видения . Возможности обнаружения сигнала существенно возрастают за счет поворотов головы и глазных яблок. Но рабочая зрительная зона близка по размерам к участку бинокулярного поля зрения, который может рассматриваться двумя глазами. Надежное обнаружение сигналов осуществляется в более узких ( в 2 раза) границах.

Ощущение, характеризующее световую энергию, излучаемую поверхностью называется видимой яркостью.

Адаптирующая яркость — яркость, к которой приспособлен глаз. определяется исходя из яркости фона. Если же рассматривается сложное изображение, то адаптирующая яркость определяется как средняя из суммы яркостей, воспринимаемых глазом.

Контраст - отношение разности изображения и фона к яркости фона (степень воспринимаемого различия между двумя яркостями).

Оператором осуществляются и управляющие воздействия (нажатие кнопок, переключение тумблеров, включение — выключение аппаратуры) — различные двигательные реакции. Конструирование СОИ невозможно без учета моторной деятельности человека. Моторная деятельность характеризуется размерами моторного поля, формой траектории и скоростью движения, силовыми параметрами, точностью движений и энергетическими затратами.

Время реакции человека зависит от ряда факторов:

–вида раздражителя (звуковой или зрительный). Скорость реакция на звуковой раздражитель выше;

–интенсивности раздражителя. Чем выше интенсивность раздражителя, тем меньше время реакции. Закономерность справедлива до достижения интенсивностью раздражителя определенного предела;

–тренированности оператора. Тренировки уменьшают время реакции;

–настройки оператора на то или иное восприятие; возраста и пола;

–строения организма;

–сложности реакции.

Время реакции может быть определено по выражению

мс, (3)

где В — число возможных альтернатив.

Реакция может быть простой (нажатие на кнопку при любом световом раздражителе) и сложной (нажатие на кнопку при определенном цветовом раздражителе).

Движение рук человека могут выполняться со скоростью 5—800 см/с. движения в направлении «от себя» выполняются быстрее движений «к себе», зато движения «к себе» характеризуются большей точностью. Если требуется остановка объекта управления, направление движения рукоятки, рычага должно быть «к себе».

Вращательные движения встречаются при ручном регулировании. Они выполняются в 1,5 раза быстрее поступательных. Максимальная скорость вращения соответствует радиусам 30— 50 мм. для радиусов до 120 мм скорость поворота растет с уменьшением нагрузки. Максимальное рабочее пространство рук человека приближается к полусфере. Эллиптические в круговые движения рук обеспечивают наибольшую производительность труда. Правой рукой удобнее двигать в горизонтальной плоскости против часовой стрелки, левой — по часовой.

При удалении органов управления на расстояние более 15— 20 см в средней зоне и 30—40 см в крайних обеспечивается наивысшая скорость прицельных движений рук оператора.

Важной характеристикой является темп вращательных движений. Максимальное значение этой характеристики для ведущей (чаще правой) руки составляет 4,83 об/с, для неведущей примерно 4 об/с и приходится на рукоятки радиусом З см. для рукояток радиуса 24 см численное значение темпа уменьшается в два раза. Максимальное значение темпа нажимных движений составляет 5—6 нажимов/с. Нажимы, совершаемые в ответ на дискретные, отличные друг от друга, сигналы, должны следовать с интервалом не менее 0,5с с целью устранения задержки в реакции.

Усилие, развиваемое рукой, зависит от положения руки:

мгновенная сила притяжения к корпусу двумя руками достигает 10 Н; длительно действующая сила — до З Н; сила разгибания руки в крайних положениях — до 0,6 Н, согнутой под прямым углом — 1,4 Н; мгновенная сила сжатия кистью — 4 Н, длительно действующая сила — 1,2—1,5 Н.

Кисть в плоскости ладони может поворачиваться на 10°. в перпендикулярной плоскости—на 80° (в сторону ладони) и на 40° в противоположную сторону.

Физическая работа мышц разделяется на динамическую (мышцы растягиваются и сокращаются) и статическую (мышцы неподвижны). Статическая работа более утомительна.

Как только авиация перешла от простых визуальных полётов к приборному пилотированию в сложных метеоусловиях, при отсутствии видимости линии естественного горизонта и наземных ориентиров, очень остро встала проблема иллюзий в определении пилотом пространственного положения. И первые попытки научно исследовать подобные явления натолкнулись на серьёзные барьеры.
Во-первых, в подавляющем большинстве случаев невозможно было получать достоверные описания оригинальных картин происшедшего. Специально ставившиеся эксперименты вызывали процесс лишь искусственно. Они могли довольно полно смоделировать психологический механизм «блуждания» пилота в пространстве, но на основные вопросы: а каков же механизм возникновения самого первого «расстройства», какой из факторов становится решающим «провокатором», как целенаправленно защищать от него пилота - отвечали лишь приближенно.

Во-вторых, в тех - вероятно достаточно многочисленных - случаях, когда лётчик терял-таки из-за иллюзий в полёте пространственную ориентировку, получить достоверный материал для исследователей было весьма и весьма проблематичной задачей. Благополучно вышедший из такой ситуации летун, разумеется, не был заинтересован в том, чтобы подробно описывать все детали происшедшего, кому бы то ни было - за этим неизбежно последовали бы «оргвыводы» о степени его профессиональной пригодности. Если благополучного выхода в полёте из подобной усложнённой ситуации у пилота не находилось, то ожидать достоверного рассказа было вообще не от кого. Материалы же бортовых регистраторов и иных средств объективного контроля - какими бы совершенными они ни были - представления о механизме возникновения подобных процессов в принципе не могут дать, по ним можно констатировать только сам факт потери лётчиком представления о пространственном положении... Да и то - лишь предположительно, с той или иной степенью достоверности.

Проблема человеческого фактора в системе оператор-система управления - ЛА с учетом СОИ. Основные этапы переработки информации оператором.

Особенности деятельности человека-оператора с учетом СОИ.Для оптимизации СОИ большое значение имеет проблема моделирования поведения человека-оператора. В настоящее время разработано достаточное количество математических моделей поведения человека. В основном модели предназначаются для исследования систем человек — машина» в режиме регулирования (динамического звена)

Структура системы управления с человеком-оператором, работающим в замкнутом контуре управления, приведена на рис.

Рис. 3 Структура системы управления с человеком оператором.

При выработке закона регулирования человек отслеживает входную величину по случайной траектории. Задачей математического описания действий человека является наиболее полная формализация и учет в модели преимуществ человека. Рассмотрим линейную непрерывную модель. В задачах с непрерывным ручным управлением действия человека, стремящегося совместить выходной сигнал х(i) с непрерывно изменяющимся входным сигналом х_о(i), можно описать линейными дифференциальными уравнениями. Правомочность этих выводов подтверждается такими фактами, как независимость переходной характеристики реакции человека от величины скачка входного сигнала независимость частотных характеристик оператора от амплитуды входного сигнала. В режиме отслеживания действия оператора описываются линейной моделью вида

, (4)

соответственно операторы: характеризующий стабилизирующие свойства человека в системе, учитывающий естественную задержку реакции оператора, отражающий динамику нервно-мышечной системы человека.

Инерционность человека-оператора объясняется необходимостью обобщения информации, воспринимаемой человеком в СОИ. τ – величина чистого латентного запаздывания, определяется Тренированностью операторов. Для обученных операторов τ=(0,1-0,З)с. Нижний предел τ характерен для случаев, когда оператор имеет возможность использовать некоторое предсказание при непрерывно изменяющемся входном сигнале х₀(t). Верхний предел τ характерен для случаев скачкообразного изменения х₀(t). Если анализируется многократно изменяющаяся величина по повторяющемуся закону, τ уменьшается до значения 0,008 с.

Постоянная времени Т₂ увеличивается с усложнением законов изменения входных переменных х₀(t) и с ростом объема входной информации. Значение Т₂ определяется также и средствами отображения информации; чем совершеннее они, тем Т₂ меньше. Оператор (Т₁p+1) характеризует способность человека упреждать развитие процесса регулирования. Изменением постоянной Т₁ оператор стремится скомпенсировать инерционность объекта и собственную.

Конкретные значения параметров передаточной функции оператора можно указать только для определенных задач. На пример, для систем с входными сигналами, случайно повторяющимися, но непрерывно изменяющимися по регулярным законам (типа гармонического колебания при безынерционном объекте управления, поведение человека-оператора описывается упрощенной передаточной функцией

(5)

Оператор справляется вплоть до частот f=2.5Гц при отслеживании случайных процессов.

Свойства системы управления определяются характеристика составляющих звеньев. Наибольшее значение оказывают динамические свойства человека. Динамические свойства одноконтурной системы управления определяются временем цикла регулирования, которое представляет собой время перевода объекта управления из исходного состояния в заданное. Время цикла регулирования составляет

чел, (6)

–время задержки сигнала в машинных звеньях системы;

–время реакции человека;

Основные этапы переработки информации оператором.

Этапы переработки информации человеком-оператором на ЛА, могут быть сведены к выполнению следующих операций:

–анализу и отбору поступающей информации;

–опознанию и обобщению информации:

–оценке степени приоритета;

–отфильтровыванию избыточной или устаревшей информации;

–уточнению и получению недостающих данных;

–вводу информации в систему и выдаче ее в линии связи:

–принятию решения;

управлению и контролю за работой аппаратуры.

Без направляющего участия человека процессы неизбежно отклоняются от норм, соответствующих интересам людей, только эволюция этих интересов человеком приводит к желательным изменениям. Человек поправляет машину, исходя из своих знаний, опыта, интуиции. Кроме того, человек и машина во многих случаях выступают как равноправные партнеры обмениваются данными и выполняют различные преобразования информации.

Сравнительно новой формой взаимодействия человека и ЛА, как с машиной, является диалоговая, основной идеей которой является распределение функций между человеком и машиной на основе взаимного дополнения и использования имуществ каждой стороны, осуществляемая с помощью средств общения (в первую очередь дисплеев). Диалог осуществляется в виде обмена текстовыми директивами в сообщениями

Поэтому ясно — человек является неустранимым звеном АСУ, и это порождает проблему согласования конструкций характеристик машин с возможностями человека. При решении этой проблемы должна быть достигнута оптимальность синтеза компонентов «человек — средства отображения — рабочая среда».

Информационная и концептуальная модели полета, неинструментальная информация. Ошибки оператора вследствие недостатков средств отображения информации. Оценка пропускной способности оператора.

Инструментальная и неинструментальная информация.

То, что в авиации называют образом полета, сопоставимо с понятием концептуальная модель. Это — базовый компонент психического отражения, сформированный в процессе обучения и профессиональной практики. Образ полета включает задачи и цели, стоящие перед летчиком, систему знаний об объекте управления, систему двигательных программ, реализуемых в полете. При выполнении конкретных действий в образе полета на первый план выступает (в зависимости от условий полета и цели, которую ставит летчик) один из трех компонентов: образ пространственного положения, чувство самолета, восприятие приборного отображения (или приборной модели). В летной практике для обозначения последнего компонента употребляют термин "образ вилки", т.е. расхождение между наличным и требуемым показателями. Для краткости иногда этим термином пользуемся и мы.

Рассмотрим подробнее каждый из компонентов образа полета.

Образ пространственного положения регулирует пространственную ориентацию летчика: осознание летчиком положения самолета в пространстве относительно плоскости земли. Для летчика, на которого действуют разнонаправленные ускорения, ориентировка в пространстве требует активной настройки сознания на постоянную интеллектуальную оценку информации. Это значит, что человек в полете должен получать и перерабатывать информацию, преследуя, кроме цели управления, еще и цель ориентировки в пространстве.

Ориентация в пространстве у человека выражается в способности воспринимать свое положение во внешнем мире: расстояние, на котором объекты внешнего мира расположены относительно друг друга и самого человека, направления, в котором они перемещаются (находятся), и, наконец, величины и формы объектов.

В авиационной практике понятие пространственной ориентировки обычно сводится к способности определять свое положение относительно вектора тяжести и различных объектов, находящихся на земле. Исходя из такого определения, большинство авиационных психофизиологов главное значение в ориентации придавали трем системам (триада ориентации): зрительный аппарат (а), лабиринтный аппарат стато–кинестетического анализатора (б), кинестезия (в).

для человека фундаментальной координатой, относительно которой строится образ пространства в целом, является направление силы земного притяжения. Отсюда, собственно, и проистекает закономерное возникновение у здорового человека нарушения афферентного синтеза неинструментальных сигналов, на основе которых формируется восприятие и представление пространственного положения (иллюзий). Причиной этому является подмена системы координат, связанной с направлением силы земного притяжения, результирующей силой перегрузки. Иначе говоря, человек в полете может результирующую силу перегрузки, направленную от головы к тазу, принять за точку опоры.

Классическим примером пространственной иллюзии служит смещение горизонта во время выполнения самолетом такой обычной фигуры, как вираж. В современном полете пилотажные сигналы в основном поступают от визуальных индикаторов и выдерживание режима полета определяется удержанием стрелок приборов в заданном положении. Но практика показывает, что процесс управления (эффективное и надежное пилотирование) невозможен без оценки пространственного положения. Летчик не может выполнять пилотирование, абстрагируясь от представления о перемещении самолета в пространстве, о положении его относительно трех осей и определенной местности.

При этом летчику желательно не только знать (на основании умственной оценки показаний приборов), но и необходимо наглядно представлять пространственное положение так, чтобы его представление соответствовало знанию о реальном положении самолета. Однако условия полета нередко не обеспечивают, скорее мешают этому соответствию; ощущения и восприятие противоречат интеллектуальной оценке, так что возникают затруднения в создании образа представления пространственного положения. В последнем случае требуется значительное волевое усилие и сознательная регуляция действия, направленная на преодоление невольного стремления пилотировать по "непосредственному впечатлению". Хотя именно интеллектуальная оценка дает объективное знание о пространственном положении, но для субъективной уверенности, способствующей надежности действий, необходимо соответствие субъективного ощущения объективному знанию.

Итак, особенности восприятия в полете обусловлены необычностью физических воздействий на человека, которые не соответствуют сложившейся на земле привычной схеме ориентировки (стереотипу). Возникающие в полете ускорения действуют на анализаторы человека, такие, как сила тяжести, но при этом они не являются постоянными ни по направлению, ни по величине, что нарушает естественную схему ориентирования. Возникает противоречие между визуальными и интероцептивными сигналами, между восприятием и мышлением, ощущением и мысленной оценкой положения тела летчика (и самолета) в пространстве.

Если это противоречие осознается, летчик усилием воли старается подавить ложные ощущения. Именно в данном случае действия должны регулироваться вербально–логическими (речемыслительными) процессами.

Для ориентировки в пространстве летчик должен целенаправленно отбирать информацию, активно использовать опыт предыдущих. визуальных полетов, осознанно формировать образ пространственного положения. Это — важнейшая специфическая особенность восприятия в полете, что означает, что летчик, решая сложную саму по себе задачу управления, одновременно выполняет целенаправленное действие — пространственную ориентировку. На земле последняя осуществляется автоматически, а в полете она невозможна без осознанного формирования наглядного образа, базового компонента образа полета. Именно этот компонент выполняет когнитивную функцию, обеспечивая общее представление об основных параметрах полета, об этапе полета, о степени приближения к цели. Адекватность предметного содержания этого компонента образа сохраняется через преодоление противоречивости поступающих к летчику сигналов: когда приборная информация противоречит непосредственным ощущениям положения тела. Отсюда включенность в содержание образа актуально осознаваемой цели: сохранить ориентацию при поступлении противоречивой информации.

Первый базовый компонент образа полета — образ пространственного положения — должен постоянно поддерживаться, видоизменяться соответственно эволюциям самолета, противостоять разрушительному влиянию неинструментальных сигналов, если они выдают информацию, противоречащую инструментальной. Обеспечивая общую ориентировку летчика, в том числе осознание глобальной цели полета, данный компонент образа играет все же вспомогательную роль в непосредственной регуляции управляющих движений. Функцию регуляции выполняет второй компонент образа — образ приборной модели.

Образ приборной модели — "приборный образ", "образ вилки" — это отражение рассогласований между заданным и текущим режимами полета, формируемое на основе восприятия информации о расхождении между заданным значением параметра полета и фактическим положением индекса. Этот образ регулирует моторный компонент действий, обеспечивая реализацию двигательной программы.

Специфическим содержанием обладает третий компонент образа полета — чувство самолета. Его формирование связано с поступлением неинструментальных сигналов: ускорений, вибраций, сопротивления органов управления, шумов и пр. Эти сигналы играют сложную и противоречивую роль. Во–первых, они относятся к так называемым отрицательным факторам полета, выступая как неприятные, иногда — вредные для организма физические воздействия. Во–вторых, они могут неправильно интерпретироваться летчиком и служить причиной ошибочных решений. Однако они очень важны для ощущения летчиком своей слитности с самолетом, которая помогает упреждать изменения его положения, обеспечивает экономный способ выполнения движения и, кроме того, создает общий положительный эмоциональный фон деятельности летчика.

Роль мышечного чувства, по–видимому, связана с тем, что мышечные рецепторы по сложности своей организации и функциям приближаются к рецепторам самых сложных органов чувств — глаза и уха. Основные мышечные веретена связаны не только с толстыми афферентными нервными волокнами, но еще и с такими, которые оказались эфферентными путями. Это значит, что при растяжении веретен (порог 1—2г) импульс проходит одновременно к сократительным волокнам и к проприоцепторам, т.е. возбуждение проводится по двум эфферентным путям, из которых один ведет к мышечным волокнам, определяющим сократительную функцию, а другой — к рецепторным аппаратам кинестетического анализатора.

Чувство самолета — это своеобразное сращивание человека с самолетом, которое позволяет физически ощущать движения самолета, способность человека к правильному и чуткому восприятию и подсознательному выбору всех важных для управления самолетом сенсорных раздражителей и к успешным реакциям на них движениями органов управления. Вот как оценивается роль чувства самолета, или летного чувства, авиационным психологом Э. Гератеволем: «Необходимая для управления самолетом координация движений осуществляется не столько продуманно и осознанно, сколько с помощью чувствительной связи с машиной и приспособлением полета к естественной закономерности полета. Эта "естественная закономерность" может передать впечатлительным натурам такие своеобразные и исключительно живые эстетические переживания, которые могут превратить полет в эмоциональное событие и даже страсть». Мышечное чувство, чувство давления, возникающие при изменении положения самолета, позволяют непосредственно оценивать, поднимается или, наоборот, опускается нос самолета так, как требуется при взлете или посадке; летчик чувствует, готов ли самолет сесть или взлететь на основании комплексного чувства самолета, и это помогает ему выполнить не только своевременные, но и — что особенно важно — упреждающие движения. В формировании и функционировании чувства самолета играют роль и тактильное восприятие кожей, и более глубокое восприятие за счет мышечного чувства. Если машина испытывает крен, то перемещение давления в мышцах воспринимается точнее и быстрее, чем раздражение рецепторов силы тяжести (отолитов). Восприятие давления и мышечное чувство дают возможность судить о правильности угла крена при развороте. При активных движениях тактильное ощущение, связанное с органами управления, основывается на ощущениях давления и мышечном чувстве.

Итак, образ полета — подвижная, динамическая, изменчивая структура. Компоненты образа вступают между собой в сложные, подчас противоречивые взаимоотношения. Сенсорно–перцептивное наполнение свойственно преимущественно образу пространственного положения и чувству самолета; моторная регуляция осуществляется на основе чувства самолета и приборного образа (образа вилки). Эффективность регуляции действий на основе чувства самолета связана с осознанием сигнальной значимости ощущений, включенных в данный компонент образа. Преобладание образа приборов как регулятора моторных действий способствует автоматизации действий и, следовательно, фиксации функциональной деформации образа, что может привести к снижению надежности системы "летчик—самолет". Осознание летчиком актуальной значимости образа пространственного положения — одно из необходимых условий сохранения надежности действий в любых ситуациях пилотирования.

Компоновка авиационных эргатических комплексов. Особенности, факторы и виды компоновки.

Авиационные эргатические системы относятся к классу больших эргатических систем, для которых характерно наличие совокупности взаимосвязанных управляемых подсистем, объединенных общей целью функционирования. Согласно определению система является большой с точки зрения оператора, если она превосходит его возможности в каком-либо аспекте, важном для достижения поставленной перед ним цели.

Компоновка эргатической системы является важным этапом ее проектирования, во многом определяющим ее рациональную организацию.

Рациональная компоновка больших эргатических систем является достаточно сложной задачей, при решении которой должны учитываться многочисленные независимые, иногда противоречивые факторы и требования, вследствие чего она относится к классу задач многофакторной оптимизации.

Основной задачей компоновки является создание оператору условий, необходимых для эффективного выполнения эксплуатационных задач, при сохранении достаточно высокого уровня безопасности работы.

Рациональная организация авиационной эргатической системы затруднена из-за:

· весьма ограниченных размеров кабин экипажа;

· большого количества средств отображения информации и средств управления, устанавливаемых на рабочих местах членов экипажа;

· недостатка места, особенно в наилучших по досягаемости и обзору зонах, приводящего к невозможности разместить все необходимое оборудование в этих зонах;

· быстротечности процессов управления и как следствие этого — дефицита времени у экипажа на выполнение операций управления и контроля;

· невозможности "остановить" рабочий процесс в случае отказа техники;

работы члена экипажа одновременно обеими руками с разными объектами управления;

· необходимости быстрого включения члена экипажа в контур управления при отказах или отключениях автоматики.

Связь компоновки с безопасностью полета достаточно ясна: она особенно проявляется при дефиците времени, в аварийных ситуациях.

Не говоря уже о роли унификации компоновки в выработке и сохранении стереотипов действий — определенных навыков управления и контроля при переходе экипажа от управления самолетом одного типа к другому, можно указать следующие правила компоновки, выполнение которых непосредственно влияет на безопасность полета:

· рациональная компоновка группы основных пилотажно-навигационных индикаторов должна обеспечивать минимальные углы (маршрут) переноса взгляда пилота на наиболее напряженных этапах полета и единообразное их размещение в группе;

· резервный авиагоризонт на самолетах с двумя пилотами следует размещать в непосредственной близости от основного индикатора или так, чтобы обеспечить возможность контроля его показаний обоим пилотам;

· органы управления следует группировать и размещать с учетом требований мнемоники;

· органы управления, случайное включение или выключение которых может привести к аварийной ситуации, должны иметь фиксаторы, предохранительные устройства, блокировку и т.п.;

· запрещается размещать рядом органы управления, используемые в каждом полете и при аварийной ситуации.

Компоновка эргатической системы хотя и имеет специфические особенности, но так же, как и проектирование ЛА в целом и его систем, обычно состоит из двух стадий.

На первой стадии компоновки проектируемый объект (кабина, рабочее место) рассматривают как элемент (подсистему) системы более высокого ранга (уровня), т.е. акцентируют внимание на связях проектируемого объекта с этой системой.

Необходимость этой стадии при проектировании вытекает из требований системного подхода, в соответствии с которым любой объект (система) разрабатывается и компонуется прежде всего в интересах достижения целей того комплекса, в который он входит как составная часть (подсистема).

На второй стадии компоновки рассматривают внутреннюю структуру проектируемого объекта, выявляют его составные части и связи между ними.

Цели этой стадии компоновки являются подчиненными по отношению к первой и заключаются в нахождении такого местоположения компонуемого объекта (параметра), которое обеспечивало бы его эффективное использование в составе системы более высокого уровня.

Отсюда можно заключить, что все средства, компонуемые на рабочих местах экипажа, следует рассматривать как комплекс, состоящий из двух иерархических систем: системы средств отображения информации и системы органов управления, в которых каждому из объектов в зависимости от его места в общей структуре предписан определенный уровень иерархии, такой, что уровнем ниже располагаются все компонуемые объекты, являющиеся составными частями данного объекта, а уровнем выше — объект, в который компонуемый объект входит как составная часть.

Такой подход можно рассматривать как структурную иерархию построения комплекса систем отображения информации и органов управления (КСОИ-ОУ).

В частности, применительно к структуре системы отображения информации такими иерархическими уровнями являются:

· система отображения информации экипажу ЛА;

· система отображения информации данному члену экипажа;

· подсистема или группа средств отображения информации (индикаторов, сигнализаторов), относящихся к одной функциональной системе, мнемосхема;

· отдельный индикатор (комплексный или комбинированный);

· указатель параметра.

Таким образом, в зависимости от состава экипажа и вида средств структура системы отображения информации ЛА может быть трех-, четырех- или пятиуровневой.

ВИДЫ И ФАКТОРЫ КОМПОНОВКИ.

Применительно к компоновке рабочих мест экипажа изложенный выше общий подход позволяет выделить три вида компоновки, отличающихся между собой масштабами объектов компоновки (площадями и объемами организуемого пространства), а также принципами компоновки:

· компоновка рабочих мест членов экипажа в кабине, в результате которой устанавливают взаимное размещение рабочих мест, а также расположение их относительно направления полета;

· компоновка рабочего места члена экипажа — его приборной доски и пультов кабины (бортовых, потолочных, центрального), представляющая собой процесс размещения средств отображения информации и средств управления на рабочем месте;

· компоновка в пределах одного многофункционального экранного (или комбинированного) индикатора, мнемоиндикатора или пульта (щитка) управления, одной мнемосхемы, сводящаяся к взаимному размещению шкал и указателей отдельных параметров на лицевой части индикатора, расположению сигнальных устройств (светосигнализаторов, бленкеров), органов управления (тумблеров, кнопок, клавиш и т. п.) на пульте управления или на мнемосхеме или, наконец, органов управления на комбинированных рычагах (штурвале).

Таким образом, первый вид компоновки представляет собой размещение членов экипажа в кабине — размещение активной части эргатической системы, а второй и третий виды компоновки связаны с проектированием технических средств.

Если компоновка первого вида является в основном объемной задачей, то при компоновке второго вида в первую очередь приходится решать задачу на плоскости (хотя при компоновке также учитывают длину средств СОИ-ОУ), а компоновка третьего вида, например лицевой части экранного индикатора, представляет собой исключительно плоскую задачу.

Компоновку второго вида (технических устройств) обычно называют "внешней", а компоновку третьего вида (в пределах одного устройства) — "внутренней".

При проектировании эргатических систем экипаж - ЛА - среда приходится иметь дело со всеми указанными видами компоновки, причем учет их тесной взаимосвязи и взаимообусловленности является условием реализации системного подхода, обеспечивающего рациональную компоновку. Все виды компоновки должны быть увязаны друг с другом, хотя они выполняются разными бригадами в ОКБ или разными ОКБ (например, разработка пультов управления систем).

С другой стороны, рациональная компоновка эргатической системы может быть достигнута лишь при реализации рациональной компоновки каждого вида для всех относящихся к нему элементов.

Разделение компоновки на три вида отражает объективно существующую иерархическую структуру, которая проявляется и в последовательности выполнения компоновки, и в связях, существующих между отдельными ее видами.

Характерной особенностью всех видов компоновки является не только единый системный подход, но и единый исходный, принцип компоновки: общий эргономический принцип максимального снижения трудоемкости процессов контроля и управления.

Общими факторами, влияющими на все виды компоновки, являются:

· геометрические параметры (соответственно кабины экипажа, рабочего места, индикатора или пульта);

· состав (соответственно экипажа, КСОИ-ОУ, индицируемых параметров или органов управления);

· принципы компоновки.

В табл. 1 эти факторы конкретизированы для каждого вида компоновки.

Основные параметры СОИ: информационная емкость, быстродействие, изобразительная возможность, достоверность отображения, точность воспроизведения, надежность, мощностные, стоимостные и другие показатели.

В зависимости от условий работы, области применения и конкретного назначения СОИ и УОИ бывают универсальными или специализированными; работают в ускоренном, реальном или замедленном масштабе времени; выдают информацию отдельным лицам, группам или коллективу пользователей; обладают возможностью ведения диалога или нет; имеют с ЭВМ непосредственную связь или дистанционную; обеспечивают непосредственное отображение информации или через промежуточный носитель; осуществляют вычислительные операции или нет; имеют внутреннюю память или нет; обладают определенными, операционными возможностями—выделение (отметка) части изображения, снятие отметок, стирание всего изображения или выборочное, указание на экране точки для записи изображения, вычерчивание линий, ввод и редактирование текста наложение одного вида информации на другой и так далее. В зависимости от требований, предъявляемых к параметрам, которые определяются сложностью задач, выполняемых УОИ, работающих с ЭВМ, разделяют на три категории. Для каждой из категорий задаются соответственно высшие и низшие значения параметров. К основным характеристикам УОИ кроме рассмотренных выше относят быстродействие, точность, информационную емкость, разрешающую способность и надежность.

Быстродействие УОИ. Характеризует максимально возможный темп приема, отображениями смены информации. Одна из характеристик быстродействия УОИ — время воспроизведения знака, измеряемое от момента поступления кодовой посылки до момента полного образования знака в заданном месте экрана. Время воспроизведения знака составляет единицы и десятки микросекунд для устройств первой категории и десятки миллисекунд для устройств третьей категории и зависит от типа УОИ, схемных решений, элементов, применяемых в схеме, и вида индикаторных элементов. Оно связано со временем, отводимым на формирование и смену кадра. В устройствах отображения информации, позволяющих наблюдать за событиями в реальном масштабе времени, время воспроизведения кадра не превышает 20—30 мс. Такое время воспроизведения кадра свойственно в основном устройствам индивидуального пользования на ЭЛТ и обеспечивает отображение информации без мелькания кадров.

Быстродействие систем отображения характеризуется временем вызова и временем обновления данных. Под временем вызова понимают время, измеряемое с момента подачи команды на отображение нужной информации до момента воспроизведения ее УОИ. Это время определяется в основном временем выборки требуемой информации из памяти ЭВМ и временем воспроизведения ее на УОИ. Желательно, чтобы время вызова не превосходило 2—3 с. В противном случае ухудшаются условия оперативного принятия решения оператором. Кроме того, при увеличении времени вызова значительно повышается вероятность того, что оператор может забыть, какие данные он запросил.

Точность. Воспроизводимая устройством отображения информация должна соответствовать входным данным. Точность воспроизведения информации должна быть не ниже точности обработки ее техническими средствами, обеспечивающими ввод входных данных. Особо высокие требования предъявляются, как правило, к точности устройств индивидуального пользования, используемых для количественной оценки информации, точных расчетов, точных графических построений и т. п.

Так как точность считывания информации в значительной степени зависит от оператора, то требования, предъявляемые к точности УОИ, должны согласовываться с конкретными задачами, решаемыми системами, и возможностями оператора. Исходя из этого, в устройствах, где информация в основном оценивается качественно, например, у многих УОИ коллективного пользования, требования к точности отображения менее жесткие.

Для УОИ свойственны систематические и случайные погрешности при отображении информации. Систематические погрешности в большинстве случаев могут либо устраняться, либо учитываться с помощью поправочных таблиц и графиков. Случайные погрешности вызваны воздействием различных случайных факторов и исключить их невозможно.

Информационная емкость УОИ. Под информационной емкостью УОИ понимают максимальное количество информации, которое может быть на нем отображено. Значение информационной емкости УОИ зависит от количества позиций в нем и числа символов в алфавите, закрепленном за позицией.

Если в УОИ для любой из позиций информационного поля используются алфавиты с одинаковым числом символов, то информационная емкость (бит)

I_и=n Iog₂ m, (1)

где n — количество позиций, которые могут занимать в пределах информационного поля элементы отображения; m — число состояний, в которых может находиться каждый элемент (длина алфавита).

Если в УОИ информационные поля используют алфавиты с различным числом символов, закрепленные за определенными группами позиций, то информационная емкость (бит)

I_и=Σn_ilog₂m_i, i=1..M, (2)

Где М — число различных алфавитов, используемых в данном информационном поле; n_i — число позиций, занимаемых символами i-гo алфавита; m_i— длина i-гo алфавита.

Количество информации, воспроизводимой УОИ, обычно не равно информационной емкости. Равенство возможно лишь в случае, если для любой позиции информационного поля равновероятно появление любого из символов алфавита, относящегося к ней.

Если появление символов алфавита длиной m равновероятно для любой из n позиций информационного поля, то количество отображаемой информации (бит)

I = -nSP_jlog2P_j, j=1..m, (3)

где Р_j — вероятность появления j-го символа.

В случае, когда алфавиты различны для разных групп позиций, соотношение (3) принимает следующий вид

I=-Sn_iSP_jlog₂P_j. (4)

Формулы (3) и (4) не учитывают статистических связей между появлением различных символов алфавита.

В ряде случаев пользуются понятием удельной информационной емкости I_ио, под которой понимают количество информации, приходящейся на единицу площади экрана. Информационная емкость экрана

I_и=I_иоS, (5)

где S — площадь экрана.

Рассмотрим примеры оценки информационной емкости:

а) на экране УОИ построчно в виде текста отображается информация. Всего на экране помещается n=10³ знаков, причем алфавит содержит 32 русские буквы, 10 арабских цифр, 5 арифметических знаков, и 13 знаков препинания. Информационная емкость экрана (бит)

I_и=10³log₂60 = 5,907*10³;

б) число точек, образующих полный растр изображения на экране ЭЛТ, л=5*10⁵. Оператор различает восемь ступеней яркости изображения. Информационная емкость экрана (бит)

I_и = 5*10⁵log₂8=15*10⁵.

Для обзорных экранов коллективного пользования число знаков N₃, отображаемых на квадратном экране со стороной L, может быть ориентировочно определено по формуле

N₃=(D/L)^-2*10⁵, (6)

где D — расстояние считывания.

Зависимость N₃=f(D/L) показана на рис. 1. Предполагается, что оператор, занимая фиксированное положение, может без напряжения рассматривать экран, угловой размер которого 50°. Из соотношения (6) следует, что при L=D объем информации на экране N_з=l0⁵ знаков, что соответствует относительному размеру символа 1:300. Такой объем информации на экране позволяет решать любые задачи, предъявляемые к УОИ при его работе в сложной системе.

Разрешающая способность УОИ. Это один из важнейших показателей его эффективности и характеризует способность устройства воспроизводить мелкие детали. В качестве количественной меры разрешающей способности используют число телевизионных линий либо число пар оптических линий (линия-промежуток), приходящихся на 1 мм или 1 см. Разрешающая способность связана с остротой зрения. Если разрешающая

Рис. 1. Зависимость числа знаков от отношения расстояния считывания к стороне квадратного экрана.

способность устройства отображения чрезмерно высока, то оператор не сможет воспринимать многие детали изображения, в то время как сложность УОИ будет большой. С другой стороны, низкая разрешающая способность ограничивает возможности воспроизведения большого количества информации и повышения точности устройства.

Правильность решений оператора в значительной степени зависит от полноты и достоверности полученной информации.

Надежность УОИ. Эффективность использования сложной системы существенно зависит от надежности УОИ. В качестве количественных характеристик надежности УОИ используют вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, среднее время безотказной работы, частоту отказов, наработку на отказ и т. д. Очевидно, эти характеристики могут использоваться в предположении, что УОИ должны находиться либо в работоспособном состоянии, либо в состоянии полного отказа, т. е. они рассматриваются как простые системы.

Однако в большинстве случаев УОИ при отказе одного или нескольких элементов продолжают функционировать, отображая информацию в полном объеме или частично (это связано с их структурной избыточностью) непосредственно для человека, считывающего и использующего ее для решения конкретных задач.

Шпаргалки по авиационным приборам и измерительно-вычислительным комплексам. Часть 2

2014-11-07T15:07:51Z

Термобиметаллические преобразователи. Особенности конструкции. Анализ источников статических погрешностей. Математическая модель преобразователя. Иллюстрация примерами.

Биметаллические пластины (рис.2), используемые в качестве чувствительного элемента биметаллического термометра (БТ), состоят из двух примерно одинаковых по толщине пластинок металлов или сплавов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. При изменении температуры такой пластины она изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного расширения.

При жестком креплении одного конца пластины перемещение ее другого конца вследствие изгиба передается с помощью системы рычагов на указатель и служит мерой изменения температуры.

Для закрепленной с одного конца биметаллической пластины длиной l и толщиной s перемещение А, ее ненагруженного конца при изменении температуры пластины от t₁ до t₂ определится выражением

А = ζl²(t₁-t₂)/s, (1)

где ζ — удельный изгиб пластины, зависящий в основном от разности коэффициентов линейного расширения использованных металлов;

Подключение к этому концу пластины какого-либо механизма для перемещения стрелки по шкале БТ приводит к возникновению силы F, противодействующей перемещению и частично подавляющей перемещение на величину А. Такая противодействующая сила определится выражением

, (2)

где b – ширина пластины; Е – модуль упругости.

Очевидно, что выражения (1) и (2) справедливы только в том интервале температур, в котором оба, используемых металла обладают упругой деформацией. Это обстоятельство определяет принципиальные температурные границы применимости БТ. Подбором специальных сплавов удается создать БТ с рабочим диапазоном температур от -100 до 600 °С.

Биметаллические термометры применяются в качестве элементов компенсации температурных погрешностей приборов, а также для измерения температуры в тех случаях, где необходимы надежные не дистанционные приборы.

Биметаллические термометры основаны на принципе прямого преобразования сигналов и для него справедлива структурная схема (рис.3).

y – деформация элемента, l - передаточная характеристика;

j – угол отклонения стрелки.

Передаточная функция равна:

Для увеличения длины пластины при сохранении малых габаритов чувствительного элемента его выполняют в виде спирали. В этом случае изменение температуры от t₁ до t₂ вызывает поворот ненагруженного конца спирали на угол у.

Если чувствительный элемент БТ не предназначен для работы в агрессивных средах, то он не требует защитного кожуха, и в этом случае термометры такого типа обладают сравнительно небольшой термической инерцией.

Наибольшее распространение БТ получили для автоматического регулирования. В этом случае чувствительный элемент приводит в действие систему управления контактами реле. Основная погрешность БТ составляет 1,0-1,5 %, а в области повышенных температур — до 3 % диапазона измерения. Градуировочные характеристики БТ близки к линейным. Однако чувствительные элементы термометров не взаимозаменяемы и приборы требуют индивидуальной градуировки. Она может осуществляться в термостатах путем сравнения с показаниями соответствующего образцового средства измерений.

Термоэлектрические термометры. Принцип действия термопары. Область применения. Основные разновидности термометров, применяемых в авиации. Электрические схемы. Особенности конструкции датчика, указателя, сопряжение с каналом связи. Иллюстрация аддитивной и мультипликативной погрешностей и методы их компенсации.

Термоэлектрические термометры в авиации используются в основном для измерения температуры отдельных частей силовых установок и газовых потоков, выходящих из реактивного сопла двигателя. Принцип действия термоэлектрического термометра основан на использовании термоэлектрического эффекта.

Явление термоэлектричества заключается в возникновении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) в спае двух проводников из двух разнородных токопроводящих материалов при наличии разности температур места соединения проводников и их свободных концов.

Сплавы: ХК – хромель-капель, ХА – хромель-алюмель, НЖ-СК – никель железо - спец. алюмель, НК-СА – никель кобальт – спец. алюмель.

В обоих спаях возникает одинаковая по величин, но обратная по знаку контактная разность потенциалов, причем суммарная термоЭДС в замкнутой цепи равна нулю. При нагреве одного из спаев до температуры t_ГС электроны на горячем конце приобретут более высокие энергии и скорости, чем на холодном. Возникающие в результате этого потоки электронов и связанные с ними накопления зарядов приводят к тому, что контактная разность потенциалов в нагретом спае, увеличивается, а в холодном остается прежней. В результат возникает термоЭДС, зависящая от разности температур t_ГС – t_ХС. В цепи потечет ток. Направление тока зависит только от материала термоэлектродов. Условились называть положительным тот электрод, по направлению к которому течет ток через горячий спай (положительный - А).

Для большинства термопар контактные ЭДС возникают при любых температурах и являются их линейными функциями, так что можно принять

Таким образом, измеряя термоЭДС, развиваемую термопарой, можно определить температуру горячего спая. В этом и состоит принцип действия термоэлектрических термометров.

Электродвижущую силу, развиваемую термопарой,можно измерить с помощью гальванометра или компенсационным методом (логометром).

По своему назначению авиационные термоэлектрические термометры можно разделить на три группы.

К первой группе относятся термометры типа ТВГ, ИТГ и ТСТ, служащие для измерения температуры выходящих газов турбореактивных, турбовинтовых авиационных двигателей и турбостартеров.

Ко второй группе относятся термометры типа ТЦТ, измеряющие температуру головок цилиндров поршневых двигателей и других твердых тел.

В третью группу объединяются измерительные системы типа ИТ, ИА, предназначенные для измерения температуры газов, выходящих из реактивного сопла двигателе и турбин низкого и высокого давления.

Температура чувствительного элемента может быть равна температуре окружающей среды или от нее отличаться, это зависит от формы материала и расположения ч.э. Любой ч.э. искажает инфу, и это происходит за счет передачи тепловой энергии через различные устройства. При измерении температуры выходных газов имеющих большие скорости особое значение приобретает переход тепловой энергии в местах торможения газового потока. В этих местах т-ра термоприемника может значительно отличаться от температуры потока. Это вызвано преобразованием кинетической энергии газового потока в потенциальную, что приводит к увеличению температуры. Степень отклонения т-ры ч.э. определяется рядом параметров.

где Т_Т – температура торможения газового потока

Т – истинная температура; V – скорость газового потока; r – коэффициент торможения; I – механический эквивалент температуры; Cp – теплоемкость измеряемого потока.

В идеальном случае r=0.98, r=1 невозможно при V≥300 м/с

Механическим и электрическим датчикам температуры, соприкасающимся со средой, температура которой измеряется, свойственны следующие методические погрешности.

1. Погрешность из-за потерь от теплоизлучения и теплопроводности. Эта погрешность обусловлена тем, что температура стенок трубопровода отличается от измеряемой температуры газа или жидкости, текущих по этому трубопроводу. В результате наряду с полезным теплообменом между датчиком и стенками трубопровода вследствие лучеиспускания и теплопроводности.

2. Погрешность от неполного торможения газового потока. В термометрах, предназначенных для измерения истинной температуры Т встречного потока воздуха, возникает погрешность, причиной которой является повышение температуры датчика из-за перехода в тепло кинетической энергии потока воздуха при его торможении датчиком.

3. Динамическая погрешность. Эта погрешность обусловлена тем, что тепло передается от среды к чувствительному элементу с некоторым запаздыванием вследствие конечной скорости передачи тепла, зависящей от материала, массы и поверхности термопатрона.

Терморезистивные преобразователи. Принцип действия. Основные разновидности терморезисторов, применяемые в авиации. Математические модели в статике и динамике.Особенности конструкции датчика.

Электрические термометры сопротивления применяются в авиации для измерения температуры масла и воздуха внутри и снаружи кабин, они основаны на изменение сопротивления или проводимости от температуры.

Для металлов обычно принимают, что сопротивление является линейной функцией температуры, т.е.

где R и R₀ – сопротивления, соответствующие температурам θ и θ₀; α– температурный коэффициент сопротивления.

Для температур ниже 0°С справедливо соотношение:

Уравнение (20) справедливо при малых отклонениях температуры.

На рис.7. приведены функции R/R₂₀ =f(q) для меди, никеля, платины и полупроводников.

Материалы, предназначенные для теплочувствительного элемента, должны удовлетворять ряду требований: иметь стабильную и хорошо воспроизводимую монотонную зависимость сопротивления от температуры и достаточно высокое значение ТКС, определяемого выражением:

их физические и химические свойства должны оставаться стабильными во времени в рабочем диапазоне температур. Не должны быть чувствительными к изменениям других внешних параметров, таких как давление, влажность, напряжённость магнитного поля, загрязнение и др.

Полупроводниковые преобразователи (термисторы)

Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность сопротивления к температуре, на порядок и более превышающая чувствительность металлов.

Термисторы широко используются для измерения температур в диапазоне (–100 +300) °С. Исходными материалами для изготовления термисторов служат смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, которые смешивают со специальным веществом в нужном соотношении; прессованием им придают необходимую форму, их спекают при температуре, близкой к температуре плавления используемых оксидов.

Зависимость сопротивления термисторов от температуры описывается выражением:

где R₀ – сопротивление термистора при Т=273°, T=273°+θ – абсолютная температура; B – постоянная материала.

1. Теплоёмкость терморезистора (С) – количество тепла, которое может аккумулировать терморезистор при изменении его температуры на 1 °С:

где W_T– тепло, выделенное в теле терморезистора; W_α– тепло, рассеянное в окружающую среду. Соднозначно определяется температурой терморезистора и численно равна энергии, которую необходимо сообщить терморезистору, чтобы изменить его температуру на 1°С.

2. Динамический коэффициент рассеяния мощности к_Д:

где ; k_Д - определяется температурой терморезистора Т, температурой окружающей среды θ и зависит от термодинамических свойств последней, площади и природы поверхности терморезистора.

3. Тепловая постоянная времени τ:

4. Электрическая постоянная времени терморезистора τ_e характеризует скорость изменения тока и напряжения в процессе их установления. Электрическая постоянная времени τ_eсвязана с тепловой постоянной времени τ и динамическим множителем D соотношением:

5. Динамический множитель:

или

В качестве измерительной схемы используется схема с логометрическим указателем.

Особенности устройства терморезисторного термометра ТНВ-15. Для измерения температуры наружного воздуха используется термометр ТНВ-15 с проволочным термопреопреобразователем П-5. Его теплочувствительный элемент 1 (рис.9) размещается в корпусе, внутренний канал которого расточен по профилю сопла Лаваля 2. Корпус, в свою очередь, крепится к основанию 4 с помощью полого откоса 3. Внутри откоса размещён подгоночный резистор 5 из манганита. Термопреобразователь П-5 устанавливается на борту самолёта так, чтобы продольная ось его корпуса совпадала с направлением набегающего потока воздуха.

Рис.1 Устройства терморезисторного термометра ТНВ-15:

1 – теплочувствительный элемент; 2 – внутренний канал корпуса; 3 – полый откос; 4 – основание; 5 – подгоночный резистор.

Принципиальная электрическая схема термометра ТНВ-15 показана на рис.2. Это четырёхплечий неуравновешенный мост с магнитоэлектрическим логометром. Примененный логометр с подвижными рамками имеет увеличенный размах шкалы термометра, однако ему свойственен ряд недостатков, связанных с малой вибропрочностью и сложностью конструкции подвижной системы. К одной из диагоналей которого подается питание от сети постоянного тока 27 В. Во вторую диагональ включены две рамки логометра.

Сопротивления R_l, R₂, R₄, R₆, R₉, R₁₀ выполнены из манганина, сопротивления R₃, R₅, служащие для температурной компенсации, — из меди.

Равновесие моста обусловлено равенством

R₉R₄=(R₁₁+R₁₀)(R₂+R₃).

В этом случае в рамках логометра протекают равные по величине токи. Взаимодействуя с неравномерным полем постоянного магнита логометра, рамки устанавливают подвижную систему и стрелку указателя против среднего деления шкалы.

Рис.2. Принципиальная электрическая схема термометра ТНВ-15

При любом другом значении температуры сопротивление приемника имеет определенную величину, равновесие моста нарушается, изменяется соотношение токов в рамках, причем каждому отношению токов соответствует единственное положение подвижной системы.

Диапазон измерения температуры ТНВ-15 от -60 °С до +150 °С с показывающим прибором ТНВ-1. Основная погрешность измерения температуры на рабочем участке диапазона измерения приборов не превышает 4 °С.

Канал измерения угловой скорости. Приборы и датчики угловой скорости. Назначение принцип действия измерителей угловой скорости.

Угловая скорость вращения силовой установки один из важнейших параметров характеризующих ее мощность или тягу. Регулирование осуществляется по числу оборотов.

Приборы, предназначенные для измерения частоты вращения, называются тахометрами.

Наибольшее распространение получили следующие методы измерения частоты вращения по принципу действия чувствительного элемента ЧЭ:

- центробежные, в которых ЧЭ реагирует на центробежную силу, развиваемую неуравновешенными массами при вращении вала (инерционные массы по радиусу, кольцевые);

Электрические тахометры

- магнитоиндукционные, основанные на зависимости наводимых в металлическом теле вихревых токов от частоты вращения;

- электрические постоянного, переменного или импульсного тока, основанные на зависимости генерируемого напряжения от частоты вращения;

- фотоэлектрические, основанные на модуляции светового потока вращающимися элементами и др.

- емкостные

- магнитоэлекрические

Рис.1 а – конический тахометр; б – кольцевой тахометр; 1- муфта; 2- пружина

В коническом тахометре на шарнирах, вращающихся вместе с осью, установлены грузы m, которые под действием центробежных сил расходятся, перемещая вдоль оси муфту 1 и сжимая пружину 2. Если обозначить у - перемещение муфты и у₀ - начальную длину пружины (при =0), то зависимость у от угловой скорости будет

Где S- чувствительность прибора, зависящая от числа грузов, массы груза, радиуса муфты и коэффициента жесткости пружины.

В кольцевом тахометре при не вращающейся оси (=0) плоскость кольца наклонена по отношению к оси на угол (схема 1 б). При вращении оси кольцо стремиться занять положение, перпендикулярное оси вращения, однако этому препятствует пружина 2. Перемещению муфты 1 пропорционально приращению угла отклонения кольца

где S - чувствительность кольцевого тахометра, зависящая от массы и радиуса кольца, и коэффициента жесткости пружины.

Магнитоиндукционные тахометры бывают двух типов: с цилиндрическим ЧЭ (рис.2 а) и с дисковым ЧЭ (рис. 2 б).

Рис. 2 а – тахометр с полым цилиндром; б – тахометр с диском; 1 – магнит; 2 – чувствительный элемент; 3 – термомагнитный шунт; 4 – магнитопровод.

Электрические тахометры постоянного тока (рис. 3) включают тахогенератор постоянного тока и гальванометр.

Рис. 3. а – тахогенератор ; б – тахометр постоянного тока: 1 – магниты; 2 – обмотка якоря; 3 – коллектор.

Тахогенераторы бывают двух типов: с ограниченным (рис.3 а) и неограниченным (рис.3 б) углом поворота ротора.

Тахогенератор с ограниченным углом поворота выполняется с неподвижной статорной обмоткой, внутри которой помещается постоянный магнит, связанный с валом, скорость вращения которого контролируется. Наводимая в статорной обмотке ЭДС равна

где k – коэффициент, зависящий от геометрических и обмоточных данных; В – магнитная индукция в зазоре, являющаяся функцией угла поворота ротора . Обычно

Тахогенераторы подобного типа применяются в качестве датчиков угловой скорости и скоростной обратной связи в системах управления полетом. Достоинство их – отсутствие коллектора и щеток.

Тахометр постоянного тока состоит из тахогенератора с неограниченным углом поворота ротора и гальванометра. Основными элементами тахогенератора являются постоянные магниты 1 с соответствующими магнитопроводами, обмотка якоря 2 и коллектор со щетками 3. Снимаемое с коллектора напряжение постоянного тока измеряется гальванометром, рамка которого имеет сопротивление R_p. В схему включено добавочное сопротивление R_Д.

В тахометрах переменного тока (рис. 4) тахогенератор состоит из вращающегося постоянного магнита и статорной обмотки. ЭДС тахогенератора равна

Рис. 4. а – тахогенератор; б – измеритель частоты ; в – измеритель напряжения .

Отсюда следует, что измерение угловой скорости можно осуществить как путем измерения частоты переменного тока (равной частоте вращения) (рис. 4 б), так и путем измерения величины напряжения (рис. 4 в).

Индукционные тахометры.

Тахогенератор такого прибора (рис. 5); представляет собой электрическую машину асинхронного типа, состоящую из внешнего 1 и внутреннего 2 магнитонроводов, в зазоре между которыми располагаются статорная обмотка 3 (состоящая из обмотки возбуждения и сигнальной обмотки) и алюминиевыми тонкостенный ротор 4, выполненный в виде цилиндра. Оси обмоток (катушек) возбуждения и сигнальной взаимно перпендикулярны.

Рис. 5. 1,2 - магнитопроводы; 3 – обмотка; 4– ротор;

При вращении ротора его образующие пересекают эл. магнитное поле обмотки Wп и на поверхности образуются токи Фуко. Эти токи создают собственные магнитные поля. И оно пронизывает Wс и в ней генерируется ЭДС. Величина напряжения Wс тем выше чем выше скорость

Недостаток – наличие тока холостого хода, который определяется не симметричностью обмоток, взаимной не перпендикулярностью Wп и Wс, и зависимостью выходного сигнала от температуры. Для их устранения используются магнитные шунты.

При вращении ротора магнитное поле пересекает образующую статора→возникают токи Фуко→создаются магнитные поля→взаимодействие 2-х полей приводит к возникновению магнитного момента→статор поворачивается на определенный угол

Магнитоиндукционные тахометры выполнены в виде 2-х узлов: тахогенератор, дистанционная передача и указатель.

ТГ – 3-х фазный генератор постоянного тока, выполненный в виде ротора из постоянного 2-х или 4-х полюсного магнита. Статическая обмотка выполнена по 3-х фазной схеме соединения звездой.

Указатель выполнен в виде синхронного 3-х фазного двигателя переменного тока, который связан с двигателем переменного тока.

Индукционные тахометры. Получение математической модели. Анализ погрешностей. Особенности конструкции.

Представляет собой систему, состоящую из индуктора и магнитоиндукционного преобразователя. На валу двигателя установлено колесо из ферромагнитного материала с определенным числом зубьев.

Работа заключается в следующем: вал вращается → изменяется сопротивление воздушного зазора → изменяется сопротивление → изменяется магнитный поток → генерируется ЭДС в обмотке индуктора.

Выходной сигнал характеризует переменные составляющие в виде искаженных синусоид.

Диапазон измерений от 40 мВ до 1,2-1,4 В.

Погрешности индукционного преобразователя данного типа:

Датчики магнитоиндукционных тахометров не имеют методической погрешности.

Основная инструментальная погрешность указателя тахометра определяется трением в подшипниках и ошибками градуировки шкалы.

Дополнительные погрешности обусловлены, прежде всего, влиянием температуры и вызываются изменением электрического сопротивления чувствительного элемента, магнитной проводимости магнитопроводов и упругих свойств противодействующей пружины.

Цифровой тахометр, его достоинства и недостатки, сопоставление статических и динамических погрешностей с индукционным. Методы повышения точности и быстродействия.

Они строятся на основе тех же датчиков, что и аналоговые, добавляется только цифровая часть. Рассмотрим подробнее цифровую часть.

Цифровая часть представляет собой нормирующий усилитель, генератор тактовых импульсов, АЦП, блок счета и индикации.

Нормирующий усилитель как правило состоит из операционного усилителя и группы резисторов, включенных по определенной схеме.Он служит для усиления и нормирования аналогового сигнала, поступающего на вход цифровой части. Диоды представленные на схеме служат для ограничения сигнала в пределах от 0 до 5 В.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) предназначен для синхронизации и получения необходимой частоты

К достоинствам можно отнести то, что на выходе получаем цифровой код, а не аналоговый. То есть уже не требуется дополнительных преобразований напряжение - код. Эту информацию непосредственно может использовать и БЦВМ, и летчик.

Недостатки проявляются в дополнительных погрешностях. Помимо погрешностей самого датчика добавляются погрешности цифровой части. Кроме того, летчиком семисегментные индикаторы хуже воспринимаются, чем стрелочные.

Системы определения приведенных значений оборотов авиадвигателя. Примеры современной реализации, сопряжение с каналом связи.

На самолетах и вертолетах объекты контроля - авиадвигатели: и различное оборудование - располагаются на значительном удалении от кабины, поэтому возникает необходимость в дистанционном измерении важнейших параметров, по которым можно определить состояние и режимы работы систем самолета и двигателя. Например, чтобы постоянно контролировать частоту вращения вала авиадвигателя, необходимо датчик частоты вращения установить в местах измерения указанных параметров. При передачи информации носителем ее обычно является не непосредственно измеряемый параметр, а электрический сигнал (напряжение или ток), который после соответствующего преобразования используется для управляющего воздействия на подвижную систему или другое исполнительное устройства индикатора.

Как уже отмечалось, каждый электрический прибор состоит из преобразователя физической величины в электрический сигнал (датчика), линий передачи и указателя.

По мере прохождения по каналам связи может изменяться в преобразователях как природа, так и вид сигнала. Соответственно различают физические преобразователи и преобразователи вида сигналов.

К преобразователям вида сигнала относят преобразователи «напряжение - код», «импульсы - код», «код - напряжение» и др.

Линии связи выполняются из проводов БПВЛ, БПВЛЭ, БПТЭ. Для уменьшения помех производят экранирование проводов и заземление экрана, разнос проводов питания и линий связи, устанавливают искрогасящие устройства.

В качестве указателей в большинстве электрических приборов использовались магнитоэлектрические гальванометры и логометры.

Современные средства отражения информации реализуются на электронных индикаторах различного типа, в частности на ЖКИ.

В настоящее время в авиации применяются частотно – импульсные тахометры, в которых используется зависимость частоты следования электрических импульсов напряжения от частоты вращения вала авиадвигателя.

Принцип действия частотно-импульсных тахометров основан на измерении частоты переменной ЭДС, пропорциональной частоте вращения вала п:

f=кn

В качестве датчиков в таких системах могут использоваться датчики частоты вращения ДЧВ-2500 или ДТА-10Е.

Принцип действия датчика ДЧВ-2500 заключается в индуцировании электрических импульсов напряжения в обмотке датчика за счет изменения сопротивления магнитной цепи при вращении, индуктора под торцом датчика

Датчик частоты вращения ДЧВ-2500 предназначен для выдачи электрических импульсов напряжения, частота следования которых пропорциональна угловой скорости вращения вала авиадвигателя. Датчик работает совместно с индуктором, который является неотъемлемой частью двигателя и в состав датчика не входит.

Структурная схема электронной системы управления двигателем (ЭСУД). Особенности реализации.

Информация с датчиков(2) через шину связи подается на БЦВМ и после соответствующей обработки поступает в исполнительный механизм(3).

Для поддержания нормального полета, регулированию подвергаются:

- поддерживание заданного числа оборотов;

- поддерживание заданной температуры и регулирование основного и форсажного топлива;

- площадь поперечного сечения воздухозаборника;

- площадь выходного сопла и его положение(вектора тяги)

Центром управления является бортовая вычислительная машина(БЦВМ)

Для унификации выходного сигнала затрачивается большая часть потенциала вычислительной техники.

Исполнительный механизм – воздействует на рабочие органы.

В состав БЦВМ входит подсистема сбора информации.

Вычислительная часть включает:

- запоминающее устройство (ПЗУ и ОЗУ), где хранятся необходимые константы, формулы и т.д. ОЗУ, в которой получают первичную информацию или результат обработки и выдают в БЦВМ.

Поступающая информация идет в вычислительную часть и распределяется операционной системой по определенному механизму. Операционная часть системы осуществляет выдачу инфы в соответствующих кодах, а так же системе управления.

Электронные схемы цифрового тракта резервируются. Резервирование осуществляется цифровым, аналоговым каналами, пневматическими, гидравлическими и электромеханическими устройствами.

В основу построения интегрирующих систем управления, рассмотренные как интегрирующие комплексы, рассматриваются как централизация и децентрализация.

Объединение привело к возникновению интегральных цифровых систем объединяющих в себе датчики, индикации и систему управления.

Каждый вычислитель может иметь индивидуальное управление как от экипажа, так и от центрального процессора, связь осуществляется через устройства сопряжения или систему шин.

Информационный тракт в данной системе полностью интегрирован, математическое обеспечение полностью раздельное, централизованную систему сложно модифицировать, расшир. и адаптируется.

СИСТЕМА С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СТРУКТУРОЙ.

В данной системе, каждая функция системы имеет свой процессор, датчики, свои каналы выдачи информации на устройства отображения или исполнительные органы. Процессоры связаны между собой.

Система имеет высокую живучесть. Отказ какого-либо процессора не приводит к отказу системы.

Процедура вычисления осуществляется под управлением единой диспетчерской системы. Возможна иерархия по отдельным подгруппам цифровой системы.

Распределение ресурсов осуществляется диспетчеризацией.

Иерархическая структура позволяет быстро осуществить модернизацию или замену входных элементов.

Важным свойством является наращивание системы. В системе с распределенной структурой, большая часть служебной информации приводит к снижению эффективности канала связи.

Если говорить о различных уровнях иерархии, то они могут быть представлены в следующей форме:

Структурная схема цифровой системы интегрированного управления

1 – датчики первичной информации и входящие преобразователи

1 - первичный преобразователь информации

2 - комплекс исполнительных механизмов

3 - устройства входящие в бортовой вычислительный комплекс(БЦВМ), в который входят 6,5,4,3,2.

4 - система резервирования: 9-элемент резервирования

5 - включает 2,3,4,5 – элементы, заключает в себе сам процессор и запоминающее устройство

2 – устройство решающее задачи 1-го уровня

3 – устройство решающее задачи 2-го уровня

4 – устройство решающее задачи 3-го уровня

5 – диспетчер

6 – выходные преобразователи или устройства связи с исполнительными механизмами

7 – устройство отображения информации

8 – устройство регистрации информации

Все задачи подразделяются на несколько уровней. Уровень определяет приоритетность задачи.

К 1-му уровню можно отнести уровень решения задач, связанных с получением информации от датчиков. На этом уровне преобразуется информация в цифровые коды, осуществляется масштабирование, контроль, сжатие и др. преобр.

2-й уровень является уровнем функциональной обработки. На нем осуществляется реализация алгоритмов управления, функционирования системы.

3-й уровень — высший уровень, который реализуется элементом 4. На нем осуществляется управление всем вычислительным процессом, его последовательность, осуществляется перестройка системы и т.д.

Управление решением задач на различных уровнях, решается посредством диспетчера.

ИВК могут работать в синхронном и асинхронном режиме. Синхронный режим – жестко запрограммированный на определенную обработку, выдачу информации, а в асинхронном заложены принципы приоритетности.

Канал измерения вибрации авиадвигателя. Индукционные и пьезодатчики вибрации, их математические модели. Структурная схема аппаратуры контроля вибрации.

При работе силовых установок, возникают упругие колебания измен. напряжен деформир состояния элементов конструкции. Превышение колебаний, значительно ухудшают условия работы оборудования. Ухудшаются характеристики аппаратуры, могут привести к разрушению отдельных элементов.

Основным источником вибрации - силовая установка, а также отдельные вспомогательные установки и системы.

Виброколебания возникают под действием знакопеременных нагрузок и носят разнообразный характер, форму, характеризуется разнообразным спектром.

Два типа колебаний:

- траекторные, присущие к колеб. л/а

- упругие, определяются только вызванные работой силовой установки.

Вибродиагностика – одно из направлений техники диагностирования силовых установок. Широкая информация содержания вибросигналов, позволяет осуществлять диагностирование самых различных систем и элементов двигателя.

Вибрация ГТД обусловлена различными факторами:

- процесс сгорания

- с аэродинамическими процессами (протекание несгораемого топлива)

- прохождение воздуха по воздухозаборникам. Происходит явление помпажа, когда двигатель не справляется с объемом воздуха поступающего в двигатель через компрессор.

Основная причина вибрации – дисбаланс вращения, обрыв лопаток, разрушение подшипника.

Наиболее полными факторами являются:

1) скорость

2) перегрузки

3) перемещение отдельных элементов

4) частота

Вибродиагностика эффективна для обнаружения дефектов: стружки в масле, контроль различных систем.

Существуют приборы для интроскопии.

Вибрадиагностика определяет до 30% дефектов от суммарной диагностики.

Варианты: бортовая и наземная.

Бортовая – определяется предельным значением вибрации двигателя в полете.

Частотный диапозон от 30 Гц на турбо-вентиляторном двигателе до 300 Гц на двухконтурном реактивном двигателе.

Выделение основных спектральных гармоник характеризующих работу каждого двигателя. Осуществляется с помощью полосовых фильтров.

Бортовая аппаратура предназначена для непрерывного контроля параметров вибрации, сигналов уровня вибрации превышающих допустимые значения, регистрация сигналов вибрации.

Бортовая виброизмерительная аппаратура сигнализирует об уровне вибрации достигающей допустимого предела.

Система регулирующая параметры должна измерять среднее и действующее значение вибрации, но тарируется в амплитудных значениях для получения соответствующих обобщенных параметров.

Структураня схема

Д – двигатель

V(t) – уровень вибрации(сигнал)

|U_ф(t)| – положительная полуволна напряжения

На двигатель подается какая-либо вибрация

V(t) – уровень вибрации

Индикатор установленный на аппаратуре выводит информацию о средних значениях, а СИ показывает действующее значение уровня вибрации.

Функционально Эл блок содержит: нормирующие усилители, фильтры соответствующего диапазона, усилитель предъоконечного каскада, выпрямитель, систему сигнализации (сравнивает заданное значение со значением после обработки).

Эл блок имеет встроенный контроль выполненный в виде мультивибратора, который генерирует сигналы в диапазоне частот полосового фильтра и который подается на вход электронного блока.

Информация записывается в блоки САК и регистрации САКР.

Система регистрации используется в наземных условиях для диагностики двигателя а так же прогнозирования возможных неполадок.

Для измерения вибрации используются вибропреобразователи. Широкое применение нашли индукционные, а также пьезоэлектрические преобразователи.

Магнитоиндукционные преобразователи.

Измерительные преобразователи размещаются в зоне опор подшипника по одному преобразователю.

Достоинства измерительных преобразователей:

- достаточная чувствительность;

- выходной сигнал пропорционален скорости U=f(V);

- возможность работы при достаточно высоких температурах.

Недостатки:

- зависимость выходных параметров от температуры (изменяется сопротивление и магнитная проницаемость)

Пьезоэлектрические акселерометры.

Принцип основан на измерении ускорения воздействующего на пьезопреобразователь.Достоинства:

- простота;

- высокая надежность;

- малые габариты и масса;

- работа при т-ре до 250°С

Недостатки:

- зависимость градуировочной характеристики от темперотуры;

- датчик динамический (не возможность работы в статических условиях).

Назначение и функции пилотажно-навигационных комплексов, их разновидности. Типовая структурная схема.

Под пилотажно-навигационным комплексом (ПНК) понимается совокупность датчиков информации, систем обработки и отображения информации, а также систем управления, предназначенных для пилотирования летательного аппарата.

ПНК можно разделить:

- автоматизированные, с низким автоматизированием;

- автоматические.

ПНК функционирует только во взаимодействии с пилотом.

Не автоматизированный ПНК имеет следующую структуру:

РИС. ПНК1

В состав входят

1 – датчики информации (давления, температуры и т.п.);

2 – индивидуальные преобразователи (вычислители);

3 – устройства индикации и сигнализации;

4 – пилот (экипаж) л.а. Воспринимает информацию от УИВЗ (устройство индикации визуальной и звуковой), принимает решения путём воздействия на

5 – рычаги управления, приводит в соответствующее состояние л.а.

При наличии автопилота 7 и пульта его управления 6 пилот может на него воздействовать.

9 – самолёт и его силовая установка.

Пилот может воздействовать на пульты управления индикацией и преобразования 8.

При данных ПНК на долю экипажа приходится значительная физическая и психологическая нагрузки. Применение автоматизированных ПНК позволяет значительно разгрузить пилота от некоторых действий, позволяет осуществить определенную фильтрацию входной информации, защиту от помех путем использования математических моделей контролируемого процесса, а также анализа датчиков, контролирующих процессы, значительно сократить помехи, уменьшить динамические погрешности, повысить точность пилотирования.

Значительный рост информации на современных летательных аппаратах обусловило невозможность пилотирования без автоматизированных систем управления.

Автоматизация ПНК позволяет осуществить достаточно глубокий контроль датчиков и подсистем как в наземных условиях, так и в режиме полета.

ПНК обладает большой функциональной избыточностью, что обеспечивает надежность путем резервирования.

Структура автоматизированного ПНК может быть представлена в следующей форме (см. рис. ПНК2):

1 – датчики информации (давления, температуры и др.);

2 – вычислительные устройства (подсистемы);

3 – центральный БЦВМ;

4 – устройство индикации информации;

5 – пилот (экипаж);

6 – САУ и САР;

7 – рычаги и органы управления;

8 – пульт управления САУ и САР;

9 – л.а. с силовой установкой.

В данных системах находят широкое применение вычислители аналогового типа. БЦВМ в основном осуществляет обработку навигационной информации. Обработка информации осуществляется комплексно. Современное состояние вычислительной техники достаточно надёжно.

Датчики 1 передают информацию в локальные системы обработки 2, далее передаётся в БЦВМ 3. Экипаж 5, воспринимая с устройств индикации и информации 4, осуществляет при необходимости вмешательство в систему управления через ручки управления 6 или через пульт управления 7 с изменением заданной программы полёта.

БЦВМ 2 осуществляет поточное поступление информации, контроль, формирует в отдельных случаях сигналы управления датчиками. БЦВМ 2 может быть несколько, они реализуют оптимальные алгоритмы управления л.а. В современных ПНК эти алгоритмы охватывают все режимы полета л.а. (от взлета до посадки). Выбор последовательности алгоритмов находится в распоряжении экипажа (бомбометание, преследование). В данной схеме управления экипаж – высший уровень управления.

САУ для данной схемы предусматривает систему устойчивости и управляемости 8 с высокой степенью надёжности и быстродействия, улучшает характеристики управляемости л.а. Обязательным элементом является противофлаттерная система управления (входит в 9). Кроме того, в систему введена система управления тягой двигателя 10.

Быстродействие данных систем управления должно быть достаточно высоким, поэтому пропускная система компонентов, входящих в САУ, и датчиков тоже должна быть быстродействующей.

Математические модели, которые решают законы управления, достаточно сложны, многомерны, взаимосвязаны. Поэтому к ним применяются достаточно высокие требования.

ПНК должен осуществлять следующие функции:

- стабилизация и индикация углового положения л.а.;

- стабилизация скорости, числа М, вертикальной скорости;

- система контроля топлива;

- система контроля и сигнализации предельных положений л.а.;

- подсказка пилоту о предельных положениях л.а.;

- коррекция счисленных координат местоположения л.а. по РСБН и РСДН;

- выход на регистрацию;

- передача информации по запросу наземных командных пунктов воздушных движений (КПУВД), так и с другими л.а.;

Барометрический канал измерения высоты полета ЛА. Математическая модель атмосферы. Основные источники методических погрешностей при измерении барометрической высоты.

Приборы, предназначенные для измерения высоты полета самолета над земной поверхностью, называются высотомерами.

При этом различают несколько высот.

H_абс – абсолютная высота– высота относительно уровня моря;

H_отн – относительная высота– высота полета относительно места взлета или посадки;

H_ист – истинная высота– высота над пролетаемой местностью.

Знание абсолютной высоты необходимо для:

1) организации коридоров полета;

2) оценки режимов полета самолета и двигателя, как при эксплуатации, так и при испытаниях.

Относительная высота должна быть известна при взлете и посадке, а истинная высота – во всех случаях полета.

Для измерения оценки высоты используется барометрический, радиотехнический и инерционный методы.

В настоящее время наиболее широко находит применение (как резервный) барометрический метод измерения высоты, который основан на функциональной зависимости 3-х параметров от высоты:

и позволяет определить с достаточной точностью высоты ЛА.

Они зависят от многих параметров: времени суток и года, географического положения, погоды, солнечного излучения.

γ изменяется от 0 до 1.

Данные зависимости устанавливают от состояния газа.

R – газовая постоянная;

Т – температура.

Установлено, что изменение температуры в атмосфере в диапазоне высот от 0 до 11 км можно выразить линейной зависимостью, которая определяется следующим образом

Т₀ – температура стандартных атмосферных условий.

τ – температурный градиент ( град/км).

При решении уравнения относительно Н при условии постоянства плотности и начального давления на поверхности земли можно получить зависимость давления от высоты.

– формула стандартной барометрической зависимости.

При решении уравнения относительно Н поучим гипсометрическую зависимость от давления:

Существует ряд выведенных с определенным допущением формул давления от высоты с учетом зависимости температуры от высоты

Для диапазона высот от 11 до 25 км температуру окружающей среды можно вычислить условно по следующей формуле:

А давление на высоте свыше 11 км определится следующим выражением:

Решая данное выражение относительно Н получаем требуемую взаимосвязь между высотой и соответствующим давлением.

Измерение высоты полета сводится к измерению барометрического давления на соответствующей высоте полета.

Преобразование сигнала в высотомере преобразуется по следующей структурной схеме.

Давление – есть функция высоты и соответственно статическая характеристика определится зависимостью давления от высоты.

Основные источники погрешности:

1) Методические – обусловлены косвенным измерением: рельеф местности, изменение давления у поверхности земли, средний температурный столб воздуха, вариация давления по высоте.

Методические погрешности устраняют по географическим картам, а также сверкой с другими измерительными устройствами. Погрешность разности высот взлета и посадки устраняется кремальерой, введя отклонение высот по информации диспетчера.

Для оценки методической погрешности, обусловленной случайным изменением на высоте полета используется запрос предполагаемого давления в месте положения ЛА.

2) Инструментальная погрешность – неточность изготовления.

3) Температурная погрешность – устраняется путем введения температурного компенсатора.

4) Погрешность дисбаланса устраняется с помощью балансов.

Изменение влияния температуры окружающей среды, в отличие от стандартной реализуется получением информации от диспетчера, либо с теплоприемников.

Аэрометрический канал измерения скорости ЛА. Математическая модель измерителей приборной, воздушной скорости и числа Маха.

Скорость измеряется относительно воздуха и земли.

Истинная воздушная скорость – V – скорость ЛА относительно воздушной среды.

Путевая скорость – W– скорость ЛА относительно земли.

Приборная (индикаторная) скорость – V_п или V_и – скорость полета, в предположении, что скоростной напор постоянен с изменением высоты.

Вертикальная скорость перемещения – Н – измеряется вариометром.

Число Маха – – отношение истинной скорости полета к скорости звука.

Путевая скорость определяется как геометрическая сумма составляющих

– горизонтальная составляющая воздушной скорости.

– скорость ветра.

Направление вектора истинной скорости относительно осей ЛА определяется с помощью углов атаки и скольжения.

Приборы для указания соответствующих скоростей:

1) Указатель истинной и приборной воздушной скорости (КУС);

2) Указатель числа М;

3) Вариометр.

Для измерения воздушной скорости применяют аэрометрические, барометрические, ультраакустические, термоэлектрические, турбинные, тепловые и другие измерительные преобразователи.

Аэрометрический способ измерения скорости.

Широко применяют следующие методы:

1) аэрометрический;

2) манометрический;

3) анемометрический;

4) тепловой;

5) ультраакустический (Доплеровский).

Аэрометрический способ основан на измерении скоростного динамического и статического напора.

Манометрический метод основан на измерении давления (P).

Анемометрический – скорость измеряется с помощью крутящейся турбинки (V = f(ω)) – метод используется для измерения малых скоростей.

Тепловой (термоанемометрический) метод – измерение параметра терморезистора – используется для экспериментальных испытаний.

V – скорость;

k – коэффициент теплопроводности;

ρ – плотностьвоздуха;

С_V – теплоемкость воздуха;

Т_н – температура нити термоанемометра;

Т – температура воздуха;

d – диаметр нити;

R – сопротивление нити;

J – ток через нить.

Доплеровский метод основан на измерении разности фаз сигнала излученного антенной и принятие сигнала, отраженного от земли, соответствующей антенной.

Измерение вертикальной скорости

Измерение вертикальной скорости осуществляется вариометрами. Принцип их работы основан на установлении связи вертикальной скорости ЛА с запаздыванием давления при измерении высоты.

Вариометр – анероидно-мембранный прибор выполненный по следующей схеме:

В герметичный корпус подается Р_ст. Р_ст подается также во внутреннюю полость мембранной коробки через трубопровод, имеющий достаточно большой диаметр сечения d и длину l. При Н = const система находится в статическом состоянии, т.е. давление внутри полости равно давлению в мембранной коробке.

Изменение высоты приводит к изменению давлению мембранной коробки относительно давления внутри корпуса. Это связано с гидравлическим сопротивлением капиллярной трубки относительно давления мембранной коробки.

– внутренне давление в мембранной коробке;

– внутренне давление в корпусе.

Вариометр градуируют в м/с от 0 до 300 (ВАР-300).

Показатели вариометра компилируют с показателями g.

Величина отклонения стрелки вариометра характеризуется чувствительностью. Чувствительность определяется конструктивными особенностями, а также параметрами среды.

– коэффициент вязкости воздуха;

– длина капилляра трубки;

– диаметр капилляра трубки;

– объем внутренней поверхности вариометра;

– газовая постоянная;

– температура САХ.

Вариометры имеют высокую чувствительность к температуре воздуха внутри прибора.

Для устранения данной погрешности корпуса вариометра имеют малую теплопроводность. В качестве материала используют карболит, полиамидные смолы.

Кроме температурных погрешностей вариометр имеет динамические погрешности – диметр капиллярной трубки.

Постоянная времени – несколько секунд и повышается с увеличением высоты.

Аэрометрический метод измерения скорости

Принцип действия основан на применении закона Бернулли.

, , – давление, весовая плотность и скорость набегающего потока.

, , – давление, весовая плотность и скорость заторможенного потока.

В случае полного затормаживания потока , тогда

При скоростях воздушных потоков менее 400 км/ч считается, что весовая плотность заторможенного и набегающего потока равны. Следовательно

– весовая плотность воздуха;

– заторможенное (полное) давление;

– статическое давление.

– градуировочная характеристика показателя скорости.

При скоростях воздушных потоков более 400 км/ч происходит адиабатическое сжатие воздуха, а, следовательно, и изменение плотности.

Для разных скоростей (до сверхзвуковых) зависимость скорости от перепада давления определяется следующей формулой:

– показатель адиабаты;

– газовая постоянная;

и – статическое давление и температура на высоте полета.

Данная формула определяет истинное значение воздушной скорости на дозвуковых скоростях.

При скоростях V>400 км/ч:

Из формулы видно, что измерение числа Маха зависит от , но не зависит от .

При увеличении скорости часть скоростного напора тратится на образование ударных волн, а также повышения температуры ЛА и разность давлений , на скачки и уплотнения.

Комбинированный указатель скорости (КУС).

Представляет собой герметичный корпус, в котором находится мембранная коробка, в которую подается P_полн с ПВД. Во внутреннюю полость прибора подается P_статич. Изменение давления приводит в действие систему рычагов и передаточных механизмов, которые передают сигнал на указатель.

Приборная скорость необходима для того, чтобы пилот реализовал подъемную силу.

Для ее измерения вводится анероидная коробка и плотность.

При расширении или сужении анероидной коробки происходит изменение углового положения стрелки, показывающей приборную скорость.

Указатель числа Маха

– конструктивно выполнен как указатель истинной скорости, но отсутствуют элементы, учитывающие Т с изменением высоты.

Погрешности указателей скорости имеют как методический, так и инструментальный характер.

1) Показатели истинной и приборной скорости – только на уровне моря.

2) Методическая погрешность зависит от Т₁, определяемая стандартным атмосферным давлением – устраняется компенсаторами 1-го и 2-го рода.

Погрешности дисбаланса устраняются с помощью противовесов.

ПВД

Для получения информации давления из окружающей среды о P_{динамич}и P_статич используют ПВД.

ПВД – специальное устройство, в виде цилиндрического воздухозаборника, которое имеет два приемника давления.

На дозвуковых самолетах ПВД устанавливают на плоскость крыла или фюзеляж. Для сверхзвуковых самолетов ПВД выносят на штанге.

Радиотехнический метод измерения высоты полета. Функциональные схемы радиовысотомеров больших и малых высот. Особенности эксплуатации, погрешности. Технические характеристики и область применения современных радиовысотомеров и перспективы развития.

Радиовысотомеры (РВ) предназначены для измерения истинной высоты полета летательного аппарата. Они относятся к классу автономных радионавигационных установок, так как не требуют для образования канала измерения дополнительного наземного оборудования.

Для радиовысотомеров выделены определенные диапазоны частот вблизи 4300, 1600-1900 и 440 МГц. В радиовысотомерах применяется радиолокационный принцип определения расстояния (высоты) по отраженному сигналу. Передатчик радиовысотомера формирует колебания, которые с помощью передающей антенны А-1 направляются в сторону земной поверхности. Отраженный сигнал поступает на приемную антенну А-2 и приемник. Измеритель высоты ИВ вырабатывает напряжение, пропорциональное времени прохождения сигнала до земной поверхности и обратно, т.е. пропорциональное истинной высоте.

Для измерения высоты используются частотный и временной (импульсный) методы. Соответствующие РВ называют частотными и импульсными. В зависимости от максимальной измеряемой высоты различают РВ малых и больших высот.

Радиовысотомеры малых высот (до 1500 м) применяют главным образом для управления ЛА в вертикальной плоскости в системах захода на посадку и автоматической посадки. Используются, в основном, РВ с изучением непрерывных частотно-модулированных колебаний.

Упрощенное объяснение этого метода состоит в следующем, генератор УВЧ через передающую антенну излучает по направлению к земле высокочастотные колебания, модулированные по частоте специальным частотным модулятором. Кроме того, колебания генератора подаются непосредственно к балансному декодеру (так называемый прямой сигнал).

Отраженные от земли частотно-модулированные высокочастотные колебания принимаются приемной антенной радиовысотомера и поступают на вход балансного декодера с запаздыванием по отношению к прямому сигналу на время

t= 2H/C

где Н – высота полета, С – скорость света.

В результате смещения прямого и отраженного сигналов на входе балансного детектора образуется результирующий сигнал, представляющий собой высокочастотные колебания, модулированные не только по частоте, но и по амплитуде.

Функциональная схема радиовысотомера РВ-5М (упрощенная)

Большинство РВ малых высот дают информацию не только о текущей высоте полета, но и о достижении самолетом установленной заданной высоты полета (или опасной высоты), а также о своей работоспособности. Эта информация обычно в виде постоянных напряжений поступает на индикаторы РВ и в вычислитель системы управления ЛА.

Основные тактико-технические данные радиовысотомера малых высот РВ-5М

1. Диапазон измеряемых высот:

1 диапазон - 0-120 м.

2 диапазон - 100 - 1200 м.

2.Погрешность измерения высоты:

1 диапазон - +/-2 м +/-5% от измеряемой высоты.

2диапазон - +/-20 м +/-5% от измеряемой высоты.

3. Несущая частота передатчика - 444+/-2 МГц.

4. Полоса качания частоты:

1 диапазон - 37 +/-4 МГц.

2 диапазон - 4 МГц.

5.Частота модуляции – 124±3 Гц.

6. Излучаемая мощность - не менее 0,15 Вт.

7. Общая чувствительность:

1 диапазон - не менее 80 ДБ. 2диапазон - не менее 70 ДБ.

8. Первичный источник питания - бортсеть постоянного тока напряжением 26,5±10% в.

9. Потребляемая мощность - не более 70 Вт.

10. Вес без кабелей - 14 кг

Радиовысотомеры больших высот (до 30 км) применяют как вспомогательное навигационное средство при аэрофотосъемке местности и для других целей. Данные РВ используют излучение импульсных колебаний.

Передатчик генерирует высокочастотные импульсы длительностью. Т=0,5 мксек. Частота следования их задается синхронизатором. Зондирующие импульсы излучаются передающей антенной, достигают земной поверхности и, отражаясь от нее, принимаются приемной антенной. С выхода приемника усиленные и преобразованные сигналы поступают на индикатор. Индикатор высоты, в качестве которого используется электроннолучевая трубка, имеет кольцевую линию развертки, образованную в результате подачи на отклоняющие пластины синусоидальных напряжений, сдвинутых по фазе на 90 градусов. Длительность развертки равна периоду следования зондирующих импульсов. Шкала радиовысотомера рассчитана на измерение до 15000 м. Соответствующая этому масштабу длительность развертки

Т1=2 (Нмах /С)=100,079 мксек

Здесь С=299762 км/сек - скорость распространения радиоволн в атмосфере. Определяемая периодом синусоидальных колебаний частота следования зондирующих импульсов оказывается при этом равной F_И=1/T1=9,992 КГЦ.

С целью более точного определения высоты в радиовысотомере применяют второй масштаб с пределами измерения от 0 до 1500 м. при этом масштабе длительность развертки Т2-2Нмакс/С = 10,0079 мксек, а частота следования зондирующих импульсов F_И=1/Т2 =99,921 кгц.

Расстояние между передними фронтами зондирующего и отраженного импульсов по дуге окружности развертки в масштабе шкалы высот пропорционально измеряемой высоте полета. Для отсчета высоты применяется масштабная шкала в метрах, нанесенная на прозрачном органическом стекле и наложенная на экран электронно-лучевой трубки.

Функциональная схема радиовысотомера РВ-25

Основные тактико-технические данные радиовысотомера больших высот.

1.Диапазон измеряемых высот от 100 до 17000 м.

2. Погрешность измерения высоты:

-на масштабе Mx l составляет 15 м±0,25% измеряемой высоты,

-на масштабе Mx10 составляет 150м±0,25% измеряемой высоты.

3. Шкала индикатора отградуирована в метрах и содержит:

-на масштабе Mxl - 1000м.

-на масштабе Мх10 - 10000м.

4. Средняя мощность передатчика на масштабе Mxl - не более 0,2 вт (Ри>=2,67).

5. Несущая частота передатчика 440+/-1 МГц.

6. Частота повторения импульсов:

-на масштабе Mxl - 149895+/-25 Гц.

-на масштабе Мх10 - 14989+/-20 Гц.

7. Длительность зондирующего импульса - 0,5 мксек.

8. Ширина полосы пропускания приемника - не менее 5 кГц.

9. Промежуточная частота - 30 МГц.

10. Чувствительность приемника - не хуже 30 мкВ (при соотношении сигнала к шуму, равном 4).

11. Общая чувствительность радиовысотомера по тестеру Т-1 - не менее 106 ДБ.

12. Потребляемая от сети 115 в, 400 Гц мощность - не более 140 Вт.

13. Вес полного комплекта - около 30 кг.

Погрешности радиовысотомеров больших и малых высот.

Первую группу образуют методические, связанные со случайным характером принятого сигнала, изменением рассеивающих свойств земной поверхности в процессе полета влиянием крена и тангажа ЛА, флуктуациями сигнала из-за процесса рассеяния ЭМ волн, шумами внешнего и внутреннего происхождения.

Вторая группа связана с динамическими ошибками. В радиовысотомерах они возникают из-за маневров ЛА: измерение высоты сильнопересеченного рельефа, использования РВ в системах управления самолета и других случаях.

Третью группу составляют инструментальные (аппаратурные) погрешности, связанные с прохождением сигналов через антенно-фидерные, приемно-передающие и измерительные тракты РВ, а также ошибки из-за схемных конструктивных и технологических решений конкретных блоков РВ.

Приборы и датчики магнитного курса. Магнитное поле Земли. Понятие магнитного склонения. Простейший магнитный компас. Погрешности, девиационный прибор. Математическая модель.

На современных ЛА устанавливают централизованные системы, которые объединяют гироскопические, магнитные и радиотехнические приборы.

Приборы, предназначенные для измерения курса – компасы.

Курс самолета

Курс самолета – угол в горизонтальной плоскости, заключенный между направлением, принятым за начало отсчета и направлением оси ЛА.

За направление принимают меридиан.

Относительно меридиана различают истинный, магнитный, компасный и условный курс.

N_Y – условный меридиан;

N – истинный меридиан;

N_М– магнитный меридиан;

N_К– компасный меридиан;

Истинный курс – угол, заключенный между северным направлением меридиана и продольной осью самолета. (Отчет по часовой стрелке).

Магнитный курс – угол, заключенный между северным направлением магнитного меридиана и продольной осью самолета.

Компасный курс – угол, заключенный между северным направлением компасного меридиана и продольной осью самолета.

Условный курс – угол, заключенный между условным меридианом и продольной осью самолета.

Истинный, магнитный и компасный курс связаны между собой определенным отношением.

– магнитное склонение.

– девиация магнитного компаса.

Δ – вариация – угол, заключенный между северным направлением истинного и компасного меридиана.

– магнитное склонение – это угол между северным направлением истинного и магнитного меридиана ( – если по часовой стрелке (к востоку), – если к западу).

Азимутальная поправка – угол между условным и истинным меридианом.

– девиация магнитного компаса – угол между северным направлением магнитного меридиана и компасным направлением меридиана.

Некоторые понятия по земному магнетизму.

Принцип работы магнитного компаса (МК) основан на взаимном внешнем магнитном взаимодействии внешнего магнитного поля и пола, создаваемым постоянным магнитом.

Магнитное поле является однородным, если его напряженность постоянна во всех точках пространства.

При нахождении постоянного магнита в однородном магнитном поле на каждую элементарную часть магнита действует сила пропорциональная его массе и напряженности магнитного поля. Направление силы совпадает с направлением внешнего магнитного поля. У постоянного магнита имеется северный и южный полюс. При отклонении оси магнита от внешнего магнитного поля создается пара сил, которая стремится повернуть его по направлению напряженности.

Полюса магнита – точки приложения 2-х сил.

Прямая, соединяющая полюса – ось магнита.

Магнитный момент, создаваемый полем постоянного магнита определяется величиной внешнего магнитного поля и массой.

Н – напряженность;

– момент, приложенный к полюсам.

– угол, между направлением внутреннего и внешнего магнитного поля.

При

Современные магнитные компасы представляют собой постоянные магниты, которые воздействуют с внешним магнитным полем, присущим Земле.

Понятие о Земном магнетизме –

магнитное поле, имеющие условные магнитные полюса. Северным магнитным полюсом называют полюс, который взаимодействует с севером постоянного магнита. Северный магнитный полюс не совпадает с географическим магнитным полюсом. Северный магнитный полюс находится в районе Гудзонова залива.

Направление напряженности магнитного поля земли почти везде по земной поверхности наклонено к горизонтальной плоскости, кроме экватора.

θ – угол наклонения между горизонтальной составляющей и суммарной составляющей.

Вектор напряженности магнитного поля земли имеет несколько составляющих.

– основное дипольное магнитное поле Земли – содержит значительную часть напряженности;

– компонент магнитного поля, обусловленный неоднородностью магнитного поля материков;

– компонент магнитного поля от различных аномалий;

– компонент вариации и девиации магнитного поля – создается внешней составляющей магнитного поля земли;

Модуль горизонтальной составляющей зависит от географической составляющей и места положения земной поверхности.

Пространственное распределение аномальных магнитных полей определяется свойствами магнитных пород.

Простейший магнитный компас. Погрешности, девиационный прибор. Математическая модель.

Для определения магнитного поля земли используются приборы – компасы.

При измерении курса ЛА магнитным компасом его показания отличаются от направления истинного значения в силу различных влияющих факторов.

1 – корпус – выполнен в виде котелка. Внутри корпуса находится катушка 2 в виде герметичного плавающего поплавка, на котором имеется лимб 3, который оцифрован в градусах. Внутренняя поверхность заполнена демпфирующей жидкостью – лигроином. В картушке находятся два постоянных магнита 4. Картушка имеет конический подпятник, который размещен на конической оси картушки 5. Корпус компаса жестко соединен с корпусом ЛА. Картушка плавает. Крышка 6 выполнена в виде стекла. В стекле имеется тонкая проволочка – направление курса. Мембрана 7 заполнена жидкостью для компенсации.

Существуют компасы для пилотов, которые расположены в горизонтальной плоскости. На рисунке изображен компас для штурманов.

Перемещение постоянного магнита под действием магнитного поля Земли описывается уравнением движения компаса и при наличии жидкостного демпфирования запишется в виде:

– угловое ускорение картушки;

– момент инерции картушки;

– коэффициент демпфирования;

– угловая скорость картушки;

– вращающий момент, действующий на картушку .

Из анализа данного выражения следует, что картушка может вращаться по различным законам, носящим как периодический, так и апериодический характер.

Погрешности магнитных компасов:

1) наличие сил трения в опорах;

2) увлечение картушки вращающейся жидкостью;

3) погрешность, связанная с воздействием ускорения на стрелку;

4) погрешность от положения ЛА (в северном или южном полушарии).

5) погрешность, обусловленная девиацией – наличие ферромагнитных материалов на ЛА, высокая коэрцитивная сила, материалы с малой остаточной намагничиваемостью (высокоуглеродистые стали и их намагничивание).

Различают полукруговую и четвертную девиации.

Шпаргалки по авиационным приборам и измерительно-вычислительным комплексам. Часть 1

2014-11-07T14:59:28Z

Приборы и измерительные системы ЛА назначение и основные функции.

Авиационные приборы и бортовые измерительно-вычислительные комплексы служат для контроля параметров полета, работы силовых установок, различных бортовых систем и агрегатов, а также состояния окружающей атмосферы. В соответствии с этим назначением выделяют следующие группы авиационных приборов:

- пилотажно-навигационные приборы и системы;

- приборы контроля работы силовой установки;

- приборы контроля работы отдельных бортовых систем и агрегатов;

- приборы контроля параметров окружающей атмосферы.

Пилотажно-навигационные приборы и системы измеряют параметры движения центра масс летательного аппарата (координаты местонахождения, высоту, скорость, линейные ускорения и др.), углы пространственной ориентации летательного аппарата относительно Земли (углы курса, крена, тангажа) и относительно набегающего воздушного потока (углы атаки, скольжения). К пилотажно-навигационным приборам и системам относятся аэрометрические приборы (высотомеры, указатели скорости и числа маха, вариометры), системы воздушных сигналов, информационные комплексы высотно-скоростных параметров полета, измерители углов атаки и скольжения, пилотажные гироскопические приборы (авиагоризонты, гировертикали, гирополукомпасы), курсовые системы, курсовертикали и различные навигационные системы, изучение которых выходит за рамки данного учебника. На современных летательных аппаратах пилотажно-навигационные приборы, навигационные системы, бортовые вычислительные устройства и системы автоматического управления, как правило, объединяются в пилотажно-навигационный комплекс, представляющий собой большую информационно-управляющую систему.

Приборы контроля работы силовой установки измеряют частоту вращения вала авиадвигателя, температуру газа и масла, давление топлива, масла и газов, запас и расход топлива, вибрацию и другие параметры. К этой группе приборов относятся тахометры, манометры, термометры, топливомеры, расходомеры, измерители вибрации и другие приборы.

Параметрами, характеризующими работу различных бортовых систем и агрегатов могут быть: температура, давление и расход жидкостей и газов, положение различных органов управления летательного аппарата и др. Эти параметры измеряются манометрами, термометрами, указателями расхода воздуха, высоты и перепада давления в гермокабинах, положения закрылков, стабилизаторов, стреловидности крыла и другими приборами.

К параметрам окружающей атмосферы относятся температура, давление, влажность и скорость ветра. Измеряются эти параметры барометрами, термометрами, гигрометрами, плотномерами и измерителями скорости ветра. Кроме перечисленных приборов в последние годы на летательных аппаратах все большее распространение получают различные датчики, служащие для выработки измерительной информации в форме, удобной для ее преобразования и передачи, но не для непосредственного наблюдения.

Сигналы, подлежащие измерению на борту ЛА.

Сигналы, являющиеся физическими носителями измерительной информации, называются измерительными. К измерительным сигналам относим:

- полезные сигналы, получаемые от исследуемых, контролируемых или управляемых объектов;

- вредные сигналы или помехи, поступающие в измерительную систему вместе с полезными сигналами или независимо от них;

- помехи, возникающие внутри измерительной системы, специально генерируемые в системе или вне ее сигналы, улучшающие работу системы (модуляция, дискретизация и др.).

В качестве физических носителей сигналов используются импульсы механической, тепловой, электрической, магнитной, акустической и световой энергии и энергии ионизационных излучений. Измерительные сигналы можно разделить на постоянные и переменные во времени; неслучайные и случайные; периодические, почти периодические, импульсные, стационарные и нестационарные и т. д. На рис. 1. дана одна из возможных систем классификации сигналов.

Рис. 1. Классификация сигналов

Во временной области измерительный сигнал рассматривается как функция времени, характеристики которой содержат информацию, заключенную в сигнале.

Импульсным называется сигнал, величина которого ничтожно мала в любой точке временной оси, за исключением некоторой конечной области. Среди импульсных сигналов характерными являются: 1) единичная функция, 2) единичный импульс (d-функция Дирака), 3) прямоугольный, 4) экспоненциальный, 5) пакет синусоид, 6) затухающая синусоида, 7) гауссов импульс, 8) импульс типа sint/t, 9) импульс типа (sin t/t) ².

Сигналы, значения которых повторяются через постоянные интервалы времени, называются периодическими. Описываются как: x(t) = x(t+kT), гдеk=1,2,….,n. К периодическим можно отнести: синусоидальный сигнал; прямоугольный сигнал; прямоугольный периодический импульсный; пилообразный; треугольный и др. Практически все периодические сигналы являются искусственными.

Периодические и стандартные сигналы необходимы для определения реакции прибора на входное воздействие. По реакции можно определить следующие параметры: АЧХ, ФЧХ, АФЧХ, и др.

Для оценки измерительных сигналов, а также улучшения эффективности измерительных схем сигналы подвергаются искусственным преобразованиям. К числу основных операций преобразования относятся: квантование, дискретизация, восстановление, сравнение, функциональное изменение, фильтрация, модуляция, детектирование и запоминание. Преобразование может быть линейным и нелинейным. Звенья системы, осуществляющие линейные или нелинейные преобразования, называются соответственно линейными или нелинейными.

Необходимость модуляции в приборах возникает тогда, когда требуется повысить точность обработки измерительного сигнала. Выделение из модулированного сигнала составляющей, пропорциональной измеряемому сигналу, называется детектированием.

Классификация измерительных устройств

Первичные измерительные преобразователи очень разнообразны по принципу действия, устройству, виду энергии входного сигнала, метрологическим и эксплуатационным характеристикам.

Целесообразно классифицировать их по физической природе явлений, лежащих в основе их работы, с учетом вида преобразуемой энергии. По указанным признакам первичные преобразователи можно подразделить на:

– механические резистивные (контактные, реостатные, тензометрические)

– электростатические (емкостные, пьезоэлектрические)

– электромагнитные (индуктивные, индукционные, магнитоупругие)

– теплоэлектрические (термоэлектрические, терморезистивные)

– электрохимические (резистивные электролитичекие, кулонометрические, химотронные)

– оптико-электрические

– гальванокинетические

– атомные (ионизационного излучения, квантовые).

- пилотажно-навигационные приборы и системы;

- приборы контроля работы силовой установки;

- приборы контроля работы отдельных бортовых систем и агрегатов;

- приборы контроля параметров окружающей атмосферы.

Процесс измерения как последовательное преобразование информации измерительными преобразователями.

Авиационное производство, а также эксплуатация летательных аппаратов в авиации связаны с получением данных о значении различных физических величин, характеризующих состояние объекта управления (исследования), - механических, тепловых, химических, оптических и других величин, которые принято называть неэлектрическими.

Существует ряд способов измерения неэлектрических величин, различающихся по виду энергии сигнала измерительной информации.

Опишем только электрический способ измерения, так как это наиболее широко распространенный способ измерения. Он имеет ряд достоинств, которые способствовали ему широкое распространение, а именно точность, удобство в эксплуатации измерительных приборов, легкость в исполнении (проектировании, производстве) измерительных приборов, хорошо изученный математический материал, компактность измерительных приборов, возможность сопряжения с вычислительной машиной.

Размещенный непосредственно на объекте ПП преобразует неэлектрическую величину Х в электрическую величину У. Кроме термина "первичный преобразователь" для обозначения элемента, преобразующего неэлектрическую величину в электрическую, применяют термин "датчик неэлектрической величины" или просто "датчик".

К первичным преобразователям (ПП) предъявляют требования воспроизводимости и однозначности характеристики преобразования У=F(Х), стабильности во времени характеристики преобразователя, минимального обратного действия преобразователя на исследуемый объект, точности быстродействия и др.

На вход первичного преобразователя кроме входной величины Х действуют и другие параметры объекта и окружающей среды. В этих условиях первичный преобразователь должен избирательно реагировать только на значение входной величины и не реагировать на влияние всех остальных факторов. Задача подавления чувствительности первичного преобразователя к влияющим величинам относится к важным задачам, решаемым конструктивными и схемными методами.

Информационно-измерительные комплексы ЛА, современное состояние, тенденции развития, основные технические требования.

Под приборным комплексом понимается совокупность бортовых и вычислительных средств, служащих для восприятия, обработки и хранения информации.

По мере увеличения объема и сложности задач, решаемых ЛА и его экипажем, усложняется и бортовое оборудование. В этом процессе выделяется пять этапов: 1) самостоятельные, независимые приборы и устройства; 2) автономные бортовые подсистемы; 3) бортовые системы с собственными, независимыми вычислительными устройствами; 4) комплексы бортовых систем с единой вычислительной машиной для всех систем; 5) комплексы бортового оборудования интегрального типа с использованием вычислительных систем. Условный график тенденции совершенствования бортового оборудования представлен на рис. 2.

С ростом тактико-технических данных ЛА расширяются диапазоны, в которых необходимо проводить измерения, повышаются требования к точности и надежности измерений.Создание сложных и точных счетно-решающих устройств для аппаратуры третьего поколения стало затруднительно осуществить в пределах стандартных габаритных размеров приборов.

Рис. 2. Условный график тенденции совершенствования бортового оборудования

Поэтому уже бортовая аппаратура четвертого поколения выполнена на микросхемах и интегральных схемах. Наибольшее внимание при разработке аппаратуры четвертого поколения уделяется обеспечению высокого уровня организации систем на борту.

Бортовая аппаратура пятого поколения характеризуется объединением в единое целое различных бортовых систем на базе сети вычислительных средств. Структура такого комплекса может быть как строго иерархичной, так и гибкой. Этот переход сопровождается повышением степени резервирования отдельных устройств и систем и степени автоматизации контроля их работоспособности.

Функция связи измерительного преобразователя (ИП), математическая модель, чувствительность.

Любой измерительный прибор предназначен для преобразования какого-либо входного сигнала х(t) в кодированный выходной сигнал y(t):

y(t)=F[x(t)],

где x(t) и y(t) – векторные величины; F(x) – требуемая функция преобразования. Предполагается, что функция F(x) осуществляет все необходимые математические операции и преобразования.

В реальных приборах функция преобразования зависит не только от сигнала x(t), но также от возмущения ξ(t) на сигнал x(t), от помех η(t), действующих на параметры прибора q, от погрешностей Dq, возникающих вследствие неточностей изготовления прибора, и от помех ν, возникающих в самом приборе (моменты трения, паразитные ЭДС и др.). т.е.

y(t)=F[x, ξ, q(η), ν],

где ξ, η, q(η), ν – векторы.

Измеряемыми величинами, на основе которых формируется полезный сигнал x(t), являются параметры первичной информации, такие, как p, t^o, количество и расход топлива, расстояние, скорости, ускорения, деформации, вибрации и т.д. К числу вредных возмущений относятся перегрузки, вибрации, электрические и магнитные поля, неконтролируемые вариации температуры, давления, влажности окружающей среды и др. Все эти возмущения вносят погрешности в показания прибора.

Прибор должен воспроизводить измеряемую величину в требуемой форме выходного сигнала, с наперед заданными точностными характеристиками.

Измерительные сигналы, поступающие на вход прибора, могут иметь различные формы, но должны преобразовываться в доступные для передачи (выхода) формы.

Основным элементом АППИ является первичный преобразователь, который, как правило, состоит из ЧЭ (чувствительного элемента) и ПЭ (преобразователя электрического) или ПИ (преобразователя информации).

Зависимость между входными и выходными элементами осуществляется через ФП (функцию преобразования) конкретного первичного преобразователя.

Первичные преобразователи помимо ФП характеризуются чувствительностью – отношение приращения выходного сигнала Dy к приращению входного сигнала Dx при Dx®0, т.е.

Под понятием проектирования АППИ можно понимать разработку (создание) структурных, функциональных, принципиальных схем, удовлетворяющих выставляемым требованиям ТЗ (технического задания) с учётом новейших достижений науки и техники и современного состояния приборостроения.

Основные требования, предъявляемые к характеристикам приборов, следующие:

- точность, находящаяся в допустимых пределах (необходимо принимать меры для устранения неточности);

- прибор должен потреблять минимум мощности входного сигнала;

- прибор должен обладать детектирующим свойством (мощность, выдаваемая элементом предыдущим, должна быть больше мощности, потребляемой последующим элементом);

- минимальные габариты, вес, массу;

- надёжность;

- долговечность;

- удобство эксплуатации;

- соответствовать требованиям энергономии.

Составление структурной схемы измерительного канала (ИК).

Структурная схема – совокупность отдельных звеньев, осуществляющих элементарные преобразования входного сигнала до выходного, которые могут быть формально описаны уравнениями, характеристиками.

Рассмотрим пример структурной схемы термоэлектрического термометра. В этом приборе осуществляется преобразование температуры u в ЭДС е, затем ЭДС наводит ток в катушке I, и в результате взаимодействия тока с магнитным полем возникает перемещение стрелки j. Итак, цепочка преобразований сигналов представляется соотношением u-е-I-j, что можно отобразить тремя звеньями.

Соединение звеньев в различных схемах может быть последовательным, параллельно согласным, параллельно встречным и смешанным (нижний рис).

Рис. 8. Схемы соединения звеньев.

При рассмотрении структурной схемы прибора необходимо определить каким способом соединяются звенья, знать передаточные характеристики звеньев и определить результирующую характеристику прибора, чувствительность, ФП, АЧХ, ФЧХ и др.

Получение статической характеристики ИК аналитически, графически, с помощью расчетов.

Для анализа статической характеристики прибора необходимо составить статическую структурную схему, которая отличается от динамической схемы тем, что в передаточных функциях звеньев необходимо положить р=0. В этом случае интегрирующие звенья заменяются звеньями с бесконечно большим коэффициентом усиления (бесконечно большой чувствительностью). Статические характеристики приборов в общем случае отображают нелинейные связи между входным и выходным сигналами.

Если х и у — входной и выходной сигналы i-го звена, то статическая характеристика его будет .

Нахождение статической характеристики прибора по статическим характеристикам его звеньев может быть названо прямой задачей анализа. При расчете и проектировании приборов приходится решать обратную задачу или задачу синтеза, когда по требуемой статической характеристике и заданной структурной схеме подбираются статические характеристики звеньев. Задача при этом ставится следующим образом: требуется синтезировать прибор со статической характеристикой у=F(х) при заданной структуре и статических характеристиках некоторых звеньев, найти статические характеристики остальных звеньев. Эта задача оказывается определенной только в том случае, когда ищется статическая характеристика одного звена.

Расчет статических характеристик заключается в определении функциональной зависимости выходного сигнала у прибора (датчика) от измеряемой величины х при установившихся значениях х и у.

Методы расчёта статических характеристик.

расчеты в следующей последовательности:

а) определяются характеристики элементов;

б) определяется характеристика прибора на основании его структурной схемы.

Рассмотрим методы этих расчетов.

1. Расчёт характеристик элементов

Характеристики элементов определяются путем анализа физических законов, лежащих в основе работы этих элементов.

Иногда характеристики элементов не поддаются точному расчету, но могут быть определены экспериментально. В подобных случаях для получения аналитической зависимости можно применить аппроксимирующую функцию.

2. Расчет характеристики прибора по структурной схеме

После того как получены уравнения (характеристики) всех звеньев, входящих в структурную схему, определяется характеристика прибора в целом. С этой целью совместно решаются уравнения звеньев и уравнения дополнительных связей между звеньями, отображающие операции суммирования или вычитания сигналов на структурной схеме.

Для типовых соединений звеньев можно вывести стандартные формулы, выражающие характеристику и чувствительность прибора через характеристики и чувствительность звеньев:

- А. Последовательное соединение.

- Б. Параллельное соединение.

- В. Встречно-параллельное соединение.

Синтез параметров ИП с целью получения требуемой статической характеристики.

Процесс проектирования любого прибора сводится к синтезу его схемы, который состоит из отдельных этапов:

1) выбор метода измерения, т. е. выбор закономерности вида ,

где x – подлежащая измерению величина; т непосредственно измеряемая величина;

z – непосредственно измеряемая величина.

Например, при измерении высоты барометрическим методом связь между высотой Н и измеряемым атмосферным давлением Рн определяется выражением.

где Н=х, P_H=2, а τ, Р₀, Т₀ , R - величины, принимаемые за постоянные;

2) составление структурной схемы прибора, представляющей совокупность звеньев, которые осуществляют элементарные преобразования измерительных сигналов;

3) определение статических и динамических характеристик звеньев и прибора в целом и сравнение этих характеристик с требуемыми характеристиками с целью определения погрешностей;

4) техническая реализация структурных схем в виде принципиальных схем.

В случае получения неудовлетворительных результатов возвращаются в начальное (исходное) положение. После принятия уточненной схемы, используя методы итерации, приходят к окончательным результатам.

Принципы построения и элементная база структур с радиальным каналом (стандарт ARING - 429).

Каналы ПК по АRINC-429 используются для передачи цифровых данных между элементами систем авиационной электроники. На бортах ЛА до 75% цифрового межсистемного обмена приходится на каналы интерфейса ARINC-429

Стандарт АRINC-429 и его отечественные аналоги ГОСТ18977-79 и РТМ 1495-75 описывают вид, параметры сигналов, структуру кодов и протоколы сообщений.

В основу интерфейса заложен вид биполярного двухфазного сигнала (RZ-код), передаваемого по бифилярной экранированной линии связи. Передача осуществляется на стандартизованных частотах (период-Т), 32-х разрядными словами ПК, включающими адресную и информационную части, и 32-й разряд - бит контроля по четности (Sum). Слова разделяются обязательной «паузой» - отсутствием сигнала в линии в течение 4-40Т, которая определяет окончание слова ПК (см. рис.).

Биполярный сигнал RZ обладает лучшими, по сравнению с униполярным RZ-кодом, энергетическими характеристиками. Единица представлена положительным уровнем напряжения, нуль—отрицательным. Средняя мощность равна A²/4R, т. е. половине средней мощности униполярного сигнала, хотя перепад уровней тот же самый. Код имеет два недостатка: 1) при передаче достаточно большой последовательности нулей приемник (или ретранслятор) теряет синхронизацию с передатчиком (или ретранслятором); 2) отсутствие возможности оперативной регистрации ошибок, таких, как пропадание пли появление лишних импульсов из-за помех.

Эти недостатки ликвидируются введением избыточности, а именно скорость передачи сигналов по линии выбирается равной скорости передачи информации, однако вводятся дополнительные электрические уровни. В данном случае – «нулевого» уровня. А также использованием двух фаз.

Интерфейс ARINC-429 называется радиальным, т.к. в интерфейсе обычно к одному каналу подключен только один передатчик, а каждая принимающая система должна иметь свою радиальную физическую линию связи с этим передатчиком (соединение типа звезда). Наличие в структуре кода 8-разрядной адресной части позволяет передавать в канале до 256 различных параметров. Адрес параметра, структура информационной части кода и протокол строго определяются стандартом.

Принципы построения и элементная база структур с мультиплексным каналом (стандарт MIL-STD - 1553B).

Для локального многоточечного соединения распределенных подсистем специального назначения широко применяются стандартизированные интерфейсы последовательных мультиплексных (магистральных) каналов (МК) типа MIL-1553В, MIL-1773. Интерфейсы обеспечивают расширенные режимы адресации, включая широковещательный режим, защиту от помех и идентификацию ошибок передачи.

В состав МК входят контроллер (К), оконечные устройства (OУ) в количестве до 32, линии передачи информации. Контроллер, обычно входящий в состав ЭВМ, управляет обменом информацией, осуществляет сопряжение с линией передачи и контроль передачи информации, состояния ОУ и самоконтроль. Оконечное устройство принимает и выполняет адресованные ему команды контроллера, осуществляет сопряжение подключенного оборудования с линией передачи информации, контролирует передачу информации, производит самоконтроль и передает результаты контроля в контроллер.

Обмен информацией осуществляется по принципу команда-отчет с временным разделением сообщений. Информация передается в МК в виде сообщений, состоящих из командных (КС), информационных (ИС) и ответных слов (ОС).

Линия представляет магистральную шину с ответвителями (шлейфами), согласованную с обеих сторон резисторами Ro=75 0м ±5 %.Подключение к МК осуществляется с соединительной коробкой (СК) или без нее через схему, содержащую защитные резисторы (R_З=56Ом ±5%), трансформатор гальванической развязки (Т), приемник/передатчик (П/П) (рис. 5).

К МК длиной не более 100 м обычно подключается не более 32 шлейфов длиной не более 6 м каждый.

Сигналы, поступающие из МК на вход приемника (а точках В1, В2): диапазон изменения полного размаха сигнала—1,..10 В; форма сигналов - от прямоугольной до синусоидальной; входное сопротивление - не менее 2 кОм в диапазоне частот 0,1...1 МГц.

Скорость передачи информации между оконечным устройством и совмещенным с ним оборудованием – 1 Мбит/с ±0,1%.

Обзор технических достижений в области локальных вычислительных сетей и прогноз их распространения в авиационных комплексах.

Необходимо отметить, что за рубежом последние 10-20 лет характеризуются завершением крупных научно-технические программ (DAIS, PAVE PILLAR и другие), которые в конечном итоге регламентировали принципы организации территориально-распределенной неоднородной многомашинной бортовой вычислительной системы (БВС) с "фиксированным" распределением реализуемых задач с определенными возможностями к ее реконфигурации на аппаратном уровне. Для объединения элементов многомашинной БВС используются стандартные цифровые соединения на основе специализированных технологий информационного обмена с использованием централизованного или децентрализованного методов доступа (MIL-STD-1553B, STANAG3910, AS4074, AS4075). Основные преимущества, которые обеспечиваются федеративно-централизованной организацией БВС с системной ориентацией, следующие:

- комплект бортового оборудования (КБО) определяется как сложная территориально распределенная система, состоящая из отдельных функциональных подсистем, связанных между собой стандартными информационными соединениями;

- разработка отдельных функциональных подсистем КБО осуществляется большей частью автономно различными фирмами-подрядчиками, а последующее их комплексирование обеспечивает функциональную интеграцию КБО в целом во всех режимах его эксплуатации;

- процесс обработки информации распараллеливается во времени в неоднородных по своей организации и характеристикам вычислительных средствах;

- разрабатываемое программное обеспечение имеет модульную организацию;

- обеспечивается возможность реконфигурации структуры в случае возникновения отказов в вычислительных средствах или функциональном оборудовании КБО;

- обеспечивается возможность модернизации и наращивания числа функциональных подсистем КБО практически без изменения топологии физических соединений на межсистемном (внутриобъектовом уровне).

Последнее положение особенно важно, так как по оценкам зарубежных специалистов в ходе жизненного цикла эксплуатации современного авиационного комплекса часто приходится производить несколько модернизаций его КБО.

Необходимо отметить, что авиационные БВС современных КБО, находящиеся в эксплуатации, имеют системно-ориентированную детерминированную структурную организацию. Вычислительный ресурс этих БВС регулярно распределен между информационными каналами КБО посредством организации отдельных подсистем, перераспределение задач между подсистемами на системном уровне не предусматривается, что не обеспечивают достаточной и гибкой интеграции бортового оборудования. Процесс совершенствования характеристик КБО и его БВС не может также постоянно продолжаться посредством наращивания количества используемых неоднородных ЭВМ даже при одновременном совершенствовании их технических характеристик.

Назначение и функции топливо-измерительных комплексов.

На большинстве самолетов устанавливаются две системы. Одна включает устройства для измерения количества топлива в баках, управления порядком заправки его на земле и выработки в полете, другая – для измерения суммарного и мгновенного расходов топлива.

Совместное применение систем обосновано необходимостью измерять не только запас, но и расход топлива двигателями. В то же время известно, что наличие на борту летательного аппарата военного назначения только расходомера не гарантирует точного определения расхода и остатка топлива в случае утечки топлива из топливной системы в результате пробоя баков и других причин. Но наличие на борту расходомера и топливомера увеличивает общую массу оборудования, количество визуальных приборов и затрудняет работу летчика. В связи с этим в настоящее время наметилась тенденция к созданию комбинированных систем – топливомерно-расходомерные (топливо измерительных комплексов), работающих на один показывающий прибор. Это позволило получить выигрыш в массе, обеспечить точное измерение запаса топлива в аварийных ситуациях и при различных эволюциях самолета, а также упростило индикацию текущих значений запаса и расхода топлива.

Топливо измерительные комплексы помимо выполняемых ими задач измерения расхода топлива и управления расходом предусматривают широкие связи с бортовыми устройствами регистрации (БУР), автоматизированными системами контроля (АСК) и наземными пунктами управления полетами, выдают информацию о располагаемой дальности и продолжительности полета в пилотажно-навигационные комплексы.

В настоящее время на самолетах находят применение топливомеры-расходомеры типа ТР54, ТРВ, ТР1–3 и топливомерно-расходомерные системы СТР2–2А, СТР6–2А, СТР6–5, СТР7–2А и др.

Топливомерно-расходомерная система СТР6–5А предназначена для выполнения следующих задач:

− измерения и индикации запаса топлива в единицах массы (килограммах) во всех баках самолета;

− вычисления и индикации располагаемой дальности полета на текущем и оптимальном режимах работы двигателей и полета самолета;

− контроля централизованной заправки топлива и управления ею (на земле);

− сигнализации окончании выработки топлива из баков, неисправного состояния системы СТР6–5А и топливной системы, нормального и предельно допустимого уровней масла левого и правого двигателей, допустимых уровней гидросмеси в баках бустерной и общей гидросистем (на земле);

- выдачи информации о запасе, резервном запасе и расходе топлива, о располагаемой дальности полета, о неисправном состоянии СТР6–5А и топливной системы, о возврате по запасу топлива в бортовое устройство регистрации (БУР) и контрольно-записывающую аппаратуру (КЗЛ), в бортовую систему контроля и предупреждения экипажа, в системы световой сигнализации и речевой информации, в наземные автоматизированные контрольно-ремонтные средства (ЛКРС).

Состав и структурная схема топливо - измерительного комплекса.

Рассмотрим состав и структурную схему топливомерно-расходомерной системы (топливо измерительных комплексов) на примере системы СТР6–5А. Первичными преобразователями данной системы являются датчики расхода (типа ДРТС 30), топливомеры (типа ДТ36А), датчики-сигнализаторы (типа ДСМК10) и термоприёмники (типа П77), сигналы от которых подаются на блок преобразования БПВ1–5, пульты контроля и управления ПКУ6–4 и ПКУ301–2, а с них – на индикатор ИСТР4–5 и в другие системы.

Рис. 1. Структурная схема СТР6–5

Система представляет собой комплекс, состоящий из четырех взаимодействующих частей (рис.1): расходомерной, топливомерной, автоматической и вычисления располагаемой дальности.

Расходомерная часть системы состоит из датчиков расхода, термоприемников в расходной магистрали, блока преобразования, пульта ПКУ6–4, индикатора и предназначена для измерения суммарного и мгновенного расходов топлива с учетом топлива, возвращаемого по магистралям перепуска.

Топливомерная часть системы состоит из датчиков топливомера, термоприемника в баке, пульта ПКУ6–4.

Автоматическая часть системы состоит из датчиков-сигнализаторов, термоприемника в подвесном баке, блока преобразования, пульта ПКУ6–4, пульта ПКУЗ01–2, индикатора.

Тахометрические расходомеры. Математическая модель. Особенности конструкции. Анализ погрешностей.

Принцип действия тахометрических (скоростных или турбинных) расходомеров основан на зависимости скорости вращения расположенной в трубопроводе ненагруженной тангенциальной крыльчатки (турбины) от расхода жидкости.

Достоинством метода является пропорциональная зависимость скорости вращения крыльчатки от расхода жидкости.

Математическая модель

Частота вращения ненагруженной крыльчатки пропорциональна скорости потока, т. е.

(2)

где к – коэффициент, зависящий от параметров крыльчатки; ν – скорость потока, км/ч. Мгновенный объемный расход может быть выражен формулой

(3)

а мгновенный массовый расход

(4)

где ρ – плотность жидкости, гр/см³ ; S – сечение трубопровода, м²; Если воспользоваться формулами (2) и (4) получим

(5)

Особенности конструкции

Для построения приборов, измеряющих объемный расход, необходимо измерять частоту вращения крыльчатки. В массовых расходомерах помимо частоты измеряют плотность ρ. В качестве измерителей частоты применяют тахогенераторы переменного тока. Измерение угловой скорости осуществляется магнитоиндукционным тахометрическим узлом (рис.8).

Рис. 8. Кинематическая схема датчика расходомера

Постоянный магнит 2 узла приводится во вращение крыльчаткой 1. Для уменьшения температурных погрешностей применен термомагнитный шунт 3. Герметичность датчика обеспечивается применением диамагнитного кожуха 4. При вращении магнита в чувствительном элементе 5 наводятся вихревые токи, взаимодействующие с полем магнита. Поворот чувствительного элемента (стакана) ограничивается противодействующей пружиной 6. Очевидно, угол поворота стакана пропорционален мгновенному расходу топлива. На оси стакана находится ротор сельсина-датчика 7 синхронной передачи. Сельсин-приемник помещен в указателе прибора, причем его ротор перемещает стрелку прибора в соответствии с изменением мгновенного расхода топлива.

Анализ погрешностей канала измерения расхода

Погрешности при замене сорта топлива могут достигать 5 – 6 %. Они учитываются поправочными графиками.

Методические температурные погрешности в диапазоне температур топлива ±60 °С достигают 5 – 10 %. Для автоматической компенсации этих погрешностей применяют ЧЭ (конденсаторы или терморезисторы), реагирующие на температуру топлива и подающие компенсационные сигналы в схему прибора. Методическая погрешность из-за изменения плотности при замене сорта топлива в расходомерах либо учитывается путем тарировки расходомера под определенный сорт топлива с нанесением на шкале показывающего прибора плотности данного сорта топлива, либо компенсируется автоматически введением в электрическую схему дополнительных поправочных резисторов, подключаемых с помощью специальных переключателей сорта топлива, расположенных на пульте управления.

Погрешность измерения может также возникать из-за неравномерного распределения скорости течения топлива по поперечному сечению датчика расхода.

Инструментальные погрешности расходомеров складываются из погрешностей преобразователя, измерительной схемы и указателя.

Погрешности датчика обусловлены моментом нагрузки на крыльчатку, равным сумме моментов трения М_Тр, жидкостного сопротивления М_ж и преобразования М_Пр, т. е.

(23)

Обычно <<.

Температурные инструментальные погрешности в расходомерах мгновенного расхода компенсируются термомагнитным шунтом.

На летательных аппаратах устанавливаются расходомеры типа PTC – I6, РТМСА, РТМСВ. Основные приведенные погрешности этих расходомеров не превышают ±2 – 3 % при нормальных условиях и достигают 4 – 5 % при изменении температуры от – 60 до +60 ºС. Для расходомеров типа РТС–1 и топливомерно-расходомерные систем типа СТР суммарная погрешность комплекта при температуре ±60 ºС, как правило, не превышает ±3,5 % общего количества топлива, прошедшего через датчики расходомера.

Тахометрические расходомеры с температурной коррекцией плотности. Примеры схемной реализации.

Одна из схем расходомера мгновенного расхода представлена на рис. Здесь вращение крыльчатки 1 измеряется тахогенератором перем. тока 2. Сигналы частоты вращения f, пропорциональные объемной скорости потока Q_v() передаются на блок формирования БФ, на выходе которого получаем напряжение, пропорциональное Q_v. Для измерения плотности ρ служит мост 3, в одно из плеч которого включен конденсатор C_x, помещаемый в поток жидкости (топлива).

Емкость конденсатора зависит от температуры, а, следовательно, от плотности жидкости. Зависимость плотности ρ от емкости можно представить в виде C=k₁×S×ρ/d,

где = ., ε₁ – диэлектрическая постоянная; ρ – плотность, гр/см³; S – площадь обкладок, м²; d – расстояние между обкладками, м. Сигнал, пропорциональный ρ, передается на движок потенциометра R₃, где происходит перемножение сигналов Q_v и ρ. В схеме усилителя Ус 2 и двигателя Д ₂ происходит усиление и отработка сигнала массового расхода.

Турбосиловые расходомеры с приводом от потока и с внешним приводом, математические модели.

Турбосиловые расходомеры с внешним приводом

Схемы основных турбосиловых расходомеров с внешним приводом (с электроприводом) представлены на рис.12,а–и.

Первые две схемы (рис.12,а,б)относятся к расходомерам, у которых вращается лишь ротор 1, связанный с электроприводом.

Ротор же 2 закручивается на угол φ, зависящий от сил, создающих противодействующий момент. Как видно из рис.12,а;момент создается при закрутке пружины 3. По такой схеме работали первые конструкции турбосиловых расходомеров. Герметизированный электродвигатель с ротором в виде постоянного магнита помещен внутри входного патрубка в обтекаемом кожухе. Его вал через зубчатую передачу вращает ротор 1, снабженный каналами для прохода жидкости. Угол φ, на который поворачивается ротор 2,воспринимается преобразователем угла поворота, связанным с ротором 2 магнитной муфтой. Если считать, что момент, действующий на ротор 2, определяется уравнением (9), то, обозначая жесткость пружины 3 через с, получим зависимость угла поворота φ от расхода Q_м.

(12)

Следующие пять схем (рис.12,в–ж), относятся к расходомерам, у которых непрерывно вращаются оба ротора.

На схемах, (рис.12,в,г) к ведомому ротору 2 приложены противодействующие моменты M_п, создаваемые тормозным диском 3, взаимодействующим с неподвижными магнитами (рис.12,в) или же гистерезисной муфтой 3 (рис.12,г).

Рис. 12. Схемы основных турбосиловых расходомеров с электроприводом

В первом случае постоянный тормозной момент равен

(13)

где к – коэффициент пропорциональности; ω_р– угловая скорость ведомого ротора, об/мин. Во втором случае гистерезисная муфта образует постоянный тормозной момент M_п, не зависящий от ω_р. В обоих случаях скорость вращения; ω_р ротора 2будет меньше скорости вращения ω ротора 1 и к ротору 2 со стороны жидкости будет приложен момент, определяемый по формуле:

(14)

Приравнивая этот момент моменту , найдем зависимость между ω_р и расходом Q_м в случае применения тормозного диска

(15)

Таким образом, путем измерения ω_р с помощью тахометрического преобразователя 4можно судить о расходе Q_м. Но здесь нет пропорциональности между ω_р и Q_м, хотя по мере уменьшения отношения зависимость между ω_р и Q_м делается не более линейной.

В случае применения гистерезисной муфты (рис.12,г), у которой противодействующий момент M_п = const, возможно несколько измерительных схем. Если ограничиться лишь измерением скорости вращения ω_р ротора 2,то получим зависимость

(16)

Шкала такого прибора нелинейна и будет иметь подавленный нуль. Измерение возможно лишь при расходах Более целесообразна схема, при которой измеряется разность скоростей (ω–ω_р) ведущего 1 и ведомого 2 роторов с помощью тахометрических преобразователей 4 и 5. Частота

импульсов f и f_p, вырабатываемых ими, пропорциональна ω и ω_р, а именно: и , где – коэффициент пропорциональности. Подставляя значения f и f_p вместо ω и ω_p в уравнение (14), получим

(17)

где – период биения частот f и f_p. Здесь Q_м пропорционально T.

Возможна еще и третья измерительная схема, при которой скорость ротора 1 автоматически регулируется так, чтобы крутящий момент М на этом роторе был равен тормозному моменту M_п, т. е. чтобы удовлетворялось уравнение .При этом скорость вращения ω первого ротора будет мерой расхода Q_м, но шкала будет гиперболической со всеми присущими ей недостатками. При этой схеме ведомый ротор 2 практически неподвижен.

В схеме расходомера, (рис.12,д) ведущий 1 и ведомый 2 роторы связаны между собою пружиной 3 и вращаются с одинаковой скоростью. Крутящий момент закручивает пружину 3,имеющую жесткость с на угол φ, определяемый из уравнения.

(18)

Угол φ равен угловому сдвигу роторов относительно друг друга. Для измерения этого сдвига снаружи трубы устанавливаются тахометрические преобразователи 4 и 5, а роторы снабжаются отметчиками из магнитомягкого материала. Измеряется промежуток времени Δt между двумя смежными импульсами преобразователей 4 и 5. Если T – время одного оборота роторов, то а так как то, следовательно,

(19)

Подставляя отсюда значение φ в уравнение (18), получим

(20)

Поэтому расход Q_м оказывается пропорциональным Δt как при синхронном так и при асинхронном двигателе, при котором скорость ω переменная и зависит от расхода. Электрические схемы измерения Δt довольно сложные. Схемы, аналогичные показанной (рис.12,д),нашли применение у расходомеров, роторы которых приводятся во вращение за счет потенциальной энергии потока (рис.13). Сложность измерительной схемы компенсируется у них простотой преобразователя расхода.

Схемы (рис.12,е,ж)предназначены для измерения расхода веществ (например, жидких топлив) с сильно изменяющейся вязкостью. В схеме (рис.12,е)один электродвигатель приводит во вращение ротор 1 через пружину 3и независимо от него ротор 2 через пружину 4.Первый по ходу потока ротор 1 нагружен крутящим моментом M и моментом сопротивления M_с1 (от вязкости жидкости и от трения в подшипниках). Ротор 2 нагружен только моментом сопротивления M_с2. Поэтому угол закрутки j пружины 3 будет больше угла закрутки φ₂ пружины 4. При равенстве жесткостей обеих пружин и равенстве моментов сопротивления M_с1 = M_с2угловой сдвиг роторов измеряемый с помощью тахометрических преобразователей 4 и 5, какбыло разъяснено выше, оказывается пропорциональным расходу Q_м. В схеме (рис.12,ж)каждый из роторов вращается от своего электродвигателя, Первый по ходу потока нагружается суммой моментов M_в + M_с2, авторой только моментом M_с2. При равенстве моментов M_с1 и M_с2 и одинаковых электродвигателях разность мощностей ΔN =N₁ – N₂ потребляемых электродвигателями, определяется уравнением т. е. будет пропорциональна расходу Q_м.

Турбосиловые расходомеры с приводом от потока

Многие из схем, представленных на рис.12, можно осуществить без электродвигателя с приводом от потока. При этом закрутка потока достигается с помощью неподвижного шнека или другим путем. Таким образом, реализована схема, в которой электродвигатель был заменен на неподвижный шнек (рис.12,г). Расход определялся по уравнению (14) путем измерения периода Т биения частот, пропорциональных скоростям ω и ω_р.

Схемы расходомеров (рис.14,а–в) состоят из двух (иногда трех) крыльчаток, связанных пружиной. Если одну из них сделать с наклонными или винтовыми лопастями, то она также как и ведомая крыльчатка станет вращаться за счет внутренней энергии потока. Отсутствие электродвигателя упрощает конструкцию преобразователя расхода и увеличивает надежность его работы. Обе крыльчатки вращаются с одинаковой угловой скоростью ω, а образующийся при этом угол сдвига φ между ними, равный углу закручивания пружины, будет возрастать с ростом массового расхода Q_м. Момент, закручивающий пружину, равен (к – коэффициент, зависящий от соотношения углов наклона лопастей на крыльчатках; если ведомая крыльчатка прямолопастная, то к = 1). Противодействующий момент, создаваемый пружиной, равен (с – жесткость пружины). Приравнивая эти моменты, получим

(21)

Из уравнения (21) следует, что (Δt – время поворота крыльчаток на угол φ). Тогда из предыдущего уравнения вытекает, что Для измерения времени Δtкаждая из крыльчаток имеет свой тахиметрический преобразователь. Время Δt измеряется по времени сдвига двух соседних импульсов, генерируемых этими преобразователями. У турбосиловых расходомеров без электропривода угловая скорость ω растет вместе с расходом. Рис. 14 представлен как:

Способы получения интегрального расхода, анализ погрешностей канала измерения расхода.

Измерение суммарного расхода топлива сводится к интегрированию по времени сигналов мгновенного расхода. Сигналы мгновенного расхода дискретизируются, поэтому интегрирование сводится к суммированию импульсов за определенное время.

В датчике суммарного расхода топлива (рис.15) вращение крыльчатки 1 через червячную передачу 3 с помощью индуктивно-импульсного устройства (ИИУ) преобразуется в электрические импульсы.

Кинематическая схема датчика суммарного расхода топлива:

1 – крыльчатка, 2 – подшипники, 3 – червячная передача, 4 – стальной сердечник, 5 – сердечник, 6 – магнитный шунт, 7 – катушка постоянной индуктивности, 8 – катушка переменной индуктивности.

Наиболее частые неисправности расходомеров возникают из-за засорения подшипников крыльчатки в направляющем аппарате, отказов элементов электроники, обрывов соединительных проводов. В случае засорения подшипников датчики промываются бензином.

Погрешности, возникающие в расходомерах, определяются основным уравнением момента, развиваемого турбинным преобразователем: М=М_тр+М_ж+М_пр

М_тр – момент трения в подшипниках;

М_ж – момент жидкостного сопротивления;

М_пр – момент преобразовтеля.

Погрешности турбинных преобразователей:

- методические, обусловленные зависимостью плотности топлива от его сортности и температуры (возникают только при оценке массового расхода). В диапазоне -60^о - +60^оС погрешности достигают 10%. Компенсация достигается поправками на сортность и температуру топлива.

- погрешности измерения могут возникать при наличии турбулентных завихрений. Устраняют прямолинейным участком до и после расходомера или выпрямителем струи, выполняющимся в виде плоскопараллельных пластин, размещающихся на державках.

- погрешности, связанные с влиянием сил трения в подшипниках. Устраняются конструктивными решениями - расходомеры с силовой компенсацией.

- погрешности, связанные с изменением вязкости жидкости (топлива).

На точность преобразования влияют коррозионный и эррозионный износ лопаток, изменение геометрических размеров трубопровода и турбины.

Данные погрешности практически не устраняемы, определяются при повторных градуировках расходомеров.

В настоящее время относительно современными турбинными преобразователями являются: СТР5-2, СТР6-2, СПУТ-1, СПУТ-4 и др. Погрешность СТР не превышает 3-5 %.

Канал измерения запаса топлива. Назначение средств измерения количества топлива.

Приборы, предназначенные для измерения объемного или весового количества топлива в баках ЛА, называются топливомерами.

Запас топлива на ЛА чрезвычайно велик и неправильное расходование его из отдельных баков может привести к нарушению центровки ЛА. Для устранения этого на ЛА устанавливаются специальные автоматы, обеспечивающие выработку топлива из отдельных групп баков по определенной программе. Такие автоматы, составляющие единую систему с топливомерами, называются системами измерения и расходования топлива.

Для измерения суммарного расхода топлива за время полета применяются суммирующие расходомеры.

Знание общего запаса топлива на ЛА и его расхода в единицу времени позволяет определить время полета, а при известной скорости полета – и дальность.

Существуют следующие методы измерения количества топлива:

- манометрические, при которых измеряется давление столба жидкости в баке;

- поплавковые, основанные на измерении положения поплавка, плавающего на поверхности жидкости;

- емкостные, при которых электрическая емкость специального конденсатора, установленного баке, зависит от уровня жидкости;

- радиационные, основанные на измерении интенсивности ядерного излучения, зависящего от уровня жидкости;

- радиочастотные, основанные на зависимости от уровня жидкости параметров отрезков длинных линий;

- ультраакустические, основанные на измерении уровня по отражению ультразвука от границ раздела сред и др.

Наиболее распространены поплавковые и емкостные методы измерения количества топлива.

Рассмотрим емкостной уровнемер.

Принцип действия емкостного топливомера основан на зависимости величины емкости специального конденсатора от уровня топлива в баке.

Чувствительный элемент емкостного топливомера (рис.) представляет собой цилиндрический конденсатор с внутренним электродом 1,внешним 2 и изоляционным слоем 3. Между изоляционным слоем и внешним электродом находится слой жидкости (топливо, кислота), уровень которой необходимо измерить. Если уровень жидкости в баке изменяется, то будет изменяться и емкость конденсатора вследствие того, что диэлектрические постоянные жидкости и воздуха различны.

Рис. Схема чувствительного элемента емкостного топливомера: 1 - внутренний электрод; 2 - внешний электрод;

3 - изоляционный слой.

Канал центровки. Назначение, принцип действия и структура систем управлением положением центра масс ЛА. Особенности реализации.

Для поддержания центра тяжести самолета в определенном положении при изменении запаса топлива необходимо, чтобы масса топлива в баках, расположенных симметрично относительно продольной оси самолета, была одинаковой. Эту задачу решают автоматы выравнивания пли автоматы центровки перекачкой топлива (АЦТ).

Принцип действия АЦТ основан на сравнении электрических параметров (напряжения или сопротивления), пропорциональных количеству топлива в соответствующих баках или крыльях, и выработке по результатам сравнения сигнала управления насосами перекачки топлива.

Рис. Система для регулирования перекачкой топлива на ЛА, имеющим два топливных бака

Потенциометры R₁ иR₂ питаются от трансформатора Т.Выходные противофазные напряжения потенциометров поданы на параллельно соединенные фазочувствительные реле РФ1 и РФ2. Щетки потенциометров R₁ иR₂ перемещаются на углы, пропорциональные массе топлива в сравниваемых баках, электродвигателями, уравновешивающими мостовые схемы ТИС соответственно левого и правого крыла.

Если выработка топлива из крыльев идет неравномерно, то при достижении установленной разности масс топлива на входе РФ1 появится напряжение, достаточное для его срабатывания. Реле РФ1 в зависимости от фазы входного напряжения выработает сигнал пуска насосов для перекачки топлива с левого крыла в правое или наоборот.

В том случае когда по каким-либо причинам разность масс топлива продолжает увеличиваться, то срабатывает реле РФ2и включает сигнализацию «Отказ АЦТ».

Запас топлива на самолетах чрезвычайно велик и неправильное расходование его из отдельных баков может привести к нарушению центровки самолета. Для устранения этого на самолетах устанавливаются специальные автоматы, обеспечивающие выработку топлива из отдельных групп баков по определенной программе. Такие автоматы, составляющие единую систему с топливомерами, называются системами измерения и расходования топлива. Наиболее известная из таких систем является КТЦ2-1, КТЦ3-1.

Канал измерения давления. Датчики давления, их разновидности. Упругие чувствительные элементы (УЧЭ). Разновидности УЧЭ применяемые в авиации.

Приборы, предназначенные для измерения давления называются манометрами.

По принципу использования манометры делятся на:

- Дифференциальные манометры используются для измерения избыточных давлений жидкостей и газов в различных отсеках авиационных двигателей (в топливной системе, системе смазки и т.д.).

- Манометры абсолютного давления (моновакууметры) применяются для измерения давления во всасывающих системах.

- Манометры отношения давлений служат для контроля степени сжатия газов в различных ступенях газотурбинных двигателей.

По методам измерения давления манометры можно разделить на следующие группы:

- механические (недистанционные), в том числе жидкостные, весовые и пружинные.

- электромеханические, в которых механический чувствительный элемент сочетается с электрической дистанционной передачей.

- электрические, в том числе электронные, газоразрядные, радиоактивные, тепловые пьезорезисторные.

Датчиком давления измерительно-информационной системы называют конструктивную совокупность одного или нескольких измерительных преобразователей, размещаемых непосредственно у объекта измерений и преобразующих измеряемые (контролируемые) давления в величины удобные для передачи по каналам связи и дальнейшего преобразования.

В упругом измерительном элементе происходит преобразование давление в усилие, которое деформирует УЭ и уравновешивается в нем моментами упругих сил чувствительного элемента в электрический сигнал.

Существуют различные виды УЭ. Основное требование к УЭ – отсутствие остаточной информации и минимальный гистерезис. В качестве УЭ используются: плоские мембраны, гофрированные мембраны с различным профилем гофрирования, а также различным краевым гофром. Помимо плоских и профилированных мембран находят применение сильфоны.

Плоские мембраны имеют нелинейные характеристики, особенно на высоких входных диапазонах. Для линеаризации используют гофрированные мембраны и сильфоны. В зависимости от типа защемления краевого гофра различные статические характеристики. В качестве материала гофрированных мембран используют высокостойкие к коррозии и гибкие материалы.

Статические и динамические характеристики определяются геометрическими размерами УЭ.

Широкое применение для оценки давления нашли датчики с УЭ в виде гофрированных мембран, с потенциометрическими и индуктивными преобразователями.

Полупроводниковые датчики. Математические модели типовых чувствительных элементов в статике, динамике, источники погрешностей.

Датчики давления в которых в качестве чувствительного элемента используются металлические или полупроводниковые тензорезисторы называют тензометрическими.

Полупроводниковые тензодатчики используют пьезорезистивный эффект – изменение удельного электрического сопротивления при механических напряжениях.

Принцип работы полупроводниковых тензорезисторов (ПТ) заключается в следующем: области энергии кристалла состоят из нескольких эквивалентных энергетических минимумов; приложение одноосного напряжения вызывает изменение ориентации минимумов, в результате этого зарядоносители перераспределяются; так как зарядоносители обладают различной подвижностью на разных уровнях, то средняя подвижность зарядов изменяется и вызывает изменение удельного сопротивления. Коэффициент тензочувствительности ПТ:

где - относительное изменение длины ПТ; Е - модуль продольной упругости материала ПТ. Коэффициент тензочувствительности у ПТ высок (более 150). Большинство выпускаемых ПТ изготовляют из кремния.

Полупроводниковые тензодатчики давления чувствительны к ударам, вибрациям, ядерной радиации и другим внешним воздействиям, однако основным фактором, вызывающим погрешности в измерениях давления, является изменение температуры окружающей среды, что ограничивает их применение на борту самолета.

Выходной электрический сигнал датчика давления и его полный дифференциал можно представить в следующем виде:

;

и в линеаризованном виде:

где и - соответственно чувствительность датчика по давлению и температуре.

Линеаризация допустима, поскольку статические характеристики датчиков линейны в пределах ± 1.5 % верхнего предела измерений. Температурные характеристики датчиков должны представляться в виде двух зависимостей:

; .

Канал измерения температуры. Общие сведения о шкале температур. Классификация термометров по принципу действия, нашедших применение в авиаприборостроении.

Температура – статистически формирующаяся термодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела. Максимальная температура не может быть больше 10¹² К из тех соображений что молекулы не двигаются быстрее скорости света. Необходимость сопоставления результатов измерения температур в разных странах заставила искать пути создания международного эталона.

Первой попыткой в этом направлении было утверждение в 1889г. на Международной конференции по мерам и весам в качестве международного эталона температуры водородного газового термометра постоянного объема.

В качестве основных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды при нормальном давлении, которым приписаны числовые значения соответственно 0 и 100 с делением основного интервала на 100 равных частей. Числовым значениям измеренных "водородных" температур приписывался знак °С. Развитие отраслей техники, нуждающихся в надежных методах измерений температур, выходящих далеко за пределы интервала (0÷100) °С и обладающих более высокой воспроизводимостью, чем газовый термометр. В 1933 г. на 8-й Генеральной конференции было утверждено Положения об МПТШ-27. МПТШ должна быть установлена таким образом, чтобы легко и просто было воспроизводить и определять любую температуру по МПТШ с точностями более высокими, чем по термодинамической шкале. В МПТШ-68 используются как международные практические температуры Кельвина (символ T₆₈), так и международные практические температуры Цельсия (символ t₆₈) составлена на 12 точках.

Классификация термометров по принципу действия (ГОСТ 13417-76)

Назначение термометра

Принцип действия

Принципиальная схема

Диап. измр. температур, °С

Термометры расширения:

Основаны на зависимости удельного объема вещества от температуры

от – 70

до +750

дилатометрический

от – 60

до + 900

биметаллический

от – 60

до + 250

манометрический

от – 50

до + 400

Термометр сопротивления (терморезистивные)

Основан на зависимости сопротивления термопреобразователя от температуры

от – 270

до + 1000

Термоэлектрический термометр

Основан на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры

от – 260

до + 2500

Пирометр

Основан на зависимости теплового электромагнитного излучения тела от его температуры

от 600 и выше

Шпаргалки по резисторам

2014-11-02T10:58:27Z

Шпаргалки по резисторам

Резистор представляет собой радиоэлемент, используемый в радиоэлектронных схемах в качестве активного электрического сопротивления и предназначенный для регулирования или ограничения тока в электрических цепях.
Резисторы используются в БРЭА в качестве анодных и коллекторных нагрузок, делителей напряжения для создания требуемого режима питания ламп, транзисторов и микросхем. Принцип их действия основан на свойстве токопроводящих материалов с большим удельным электрическим сопротивлением оказывать сопротивление проходящему электрическому току.
В зависимости от конструкции и материала токопроводящего элемента резисторы подразделяются на непроволочные и проволочные. В непроволочных резисторах токопроводящий элемент изготовляют методом нанесения на керамическое основание тонкого слоя углерода или сплава металлов, обладающих высоким удельным сопротивлением, а в проволочных — его выполняют из проволоки высокоомного материала (константан, манганин, нихром).
По характеру изменения сопротивления резисторы подразделяются на постоянные и переменные, в том числе подстроечные. На электрических принципиальных схемах резисторы изображаются как представлено на рисунке 1 и обозначаются латинской буквой R, далее идет число, указывающее порядковый номер резистора в схеме.

Рисунок 1.

Основные параметры резисторов

Основными параметрами резисторов являются: номинальное сопротивление и его допустимое отклонение, номинальная мощность рассеивания, предельное рабочее напряжение, температурный коэффициент сопротивления и шумы.

Номинальное сопротивление постоянных и переменных резисторов указывает значение их сопротивления в омах, килоомах или мегаомах и проставляется на резисторах. Установлено шесть рядов номинальных значений сопротивлений: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Цифры после букв указывают число номинальных значений в данном ряду.
Допустимое отклонение сопротивления указывает на наибольшее возможное отклонение от номинального значения в сторону увеличения или уменьшения действительного значения активного сопротивления резисторов и выражается в процентах.
Номинальная мощность рассеивания указывает максимально допустимую мощность, которую резистор может рассеивать при длительной электрической нагрузке, нормальных атмосферном давлении и температуре. Непроволочные резисторы изготовляют на номинальную мощность 0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5 и 10 Вт, а проволочные — 0,2—150 Вт. Как показано на pисунке 2, на пpинципиальных электpических схемах номинальную мощность pассеивания обозначают условно чеpточками на изобpажении pезистоpа для мощностей менее одного Ватта и pимскими цифpами пpи мощностях, пpевышающих один Ватт. Номинальная мощность рассеивания резисторов должна быть на 20—30 % больше рабочей рассеиваемой мощности.

Рисунок 2.

Предельное рабочее напряжение — это максимально допустимое напряжение, приложенное к выводам резистора, которое не вызывает превышения норм технических условий (ТУ) на электрические параметры. Эта величина задается для нормальных условий эксплуатации и зависит от длины резистора, шага спиральной нарезки, температуры, давления окружающей среды и атмосферного давления. Чем выше температура и ниже атмосферное давление, тем выше вероятность теплового или электрического пробоя и выхода из строя резистора.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 °С. У непроволочных резисторов, применяемых в БРЭА, ТКС не превышает ±0,04—0,2 %, а у проволочных — ±0,003—0,2 %.

Шумы в резисторах обусловлены хаотическим движением носителей зарядов, что вызывает появление дополнительного шумового напряжения на выводах резисторов и создает помехи при прохождении сигнала. Собственные шумы резисторов бывают тепловые и токовые.

Тепловые шумы возникают под действием хаотического движения электронов в токопроводящем слое, что вызывает микроизменения сопротивления резистора и переменные пульсации напряжения в нем. С увеличением температуры резистора тепловые шумы возрастают.
Токовые шумы появляются в углеродистых, металлизированных и композиционных резисторах. С увеличением приложенного напряжения они возрастают.
Наибольшие токовые шумы создают непроволочные резисторы. Проволочные резисторы обладают лишь тепловыми шумами, гораздо меньшими, чем токовые.

Система обозначений резисторов

Сокращенная система обозначений резисторов введена в соответствии с ГОСТ 13453—68 с учетом вышеназванных групп и свойств резисторов и состоит из букв и цифр. Буквами обозначается группа резисторов: С — резисторы постоянные, СП — резисторы переменные. Первая цифра после букв указывает материал, из которого они изготовлены (1 —непроволочные тонкослойные углеродистые и бороуглеродистые; 2 — непроволочные тонкослойные металлопленочные и металлоокисные; 3 — непроволочные композиционные пленочные; 4 — непроволочные композиционные объемные; 5 — проволочные; 6—непроволочные тонкослойные металлизированные). Следующие цифры, написанные через дефис, указывают порядковый номер разработки конструктивной разновидности резисторов данного вида. Например, резистор С2-22 — постоянный непроволочный с порядковым номером разработки 22.
С 1980 г. введена система сокращенных условных обозначений, в которой первый элемент — буква или сочетание букв — обозначает подкласс резистора (Р — постоянные резисторы, РП — переменные резисторы, HP — наборы резисторов); второй элемент — цифра обозначает группу резисторов по материалу резистивного элемента (1 — непроволочные, 2 — проволочные); третий элемент — цифра обозначает регистрационный номер конкретного типа резистора. Между вторым и третьим элементами ставится дефис. Например, резисторы переменные проволочные с номером 18 записываются РП2-18.
Резисторы, которые изготовлялись до введения вышеуказанных систем сокращенных обозначений, имеют старые наименования, в основу которых положены отличительные признаки (вид токопроводящего материала, защиты и др.). К ним относятся резисторы типа ВС (высокостабильные), МЛТ (металлизированные лакированные теплостойкие) и другие.

Маркировка резисторов

Маркировка резисторов (их буквенно-цифровой код) содержит значение номинального сопротивления и допустимые отклонения от него. Кроме того, в обозначении имеется буква, которая указывает единицы сопротивления. Она пишется на том месте, где должна быть запятая, разделяющая целую и дробную части обозначения. Если в значении сопротивления резистора отсутствуют целые числа, то нуль впереди буквы не ставится. В конце обозначения резистора буквой указывается допустимое отклонение от номинального значения сопротивления. Например, сопротивление 0,47 Ом ± 5 % сокращенно обозначается Е47И; сопротивление 4,7 кОм ± 10 % — 4К7С, сопротивление 4,7 МОм ± 20 % — 4M7BJ. Далее рассмотрим более подробно маркировку резисторов.

Резисторы с номинальным значением до 100 Ом маркируются буквами E или R, например:

0,47 Ом – R47 или Е47
1 Ом – 1R0 или 1Е0
4,3 Ом – 4R3 или 4Е3
33 Ом – 33R или 33E
47,5 Ом – 47R5 или 47Е5

Резисторы с номинальным значением от 100 до 999 Ом маркируются в долях килоома и обозначаются буквой К, например:

100 Ом – К10
470 Ом – К47
560 Ом – К56
820 Ом – К82

Резисторы с номинальным значением от 1 до 99 кОм маркируются буквой К , например:

1 кОм – 1К0
4,7 кОм – 4К7
10 кОм – 10К
47,5 кОм – 47К5
75 кОм – 75К

Резисторы с номинальным значением от 100 до 999 кОм маркируются в долях мегаома и обозначаются буквой М, например:

100 кОм – М10
150 кОм – М15
360 кОм – М36
475 кОм – М475
560 кОм – М56

В соответствии с ГОСТ 17598—72 для постоянных резисторов допускается маркировка цветным кодом номинального сопротивления и допустимых отклонений от него. Маркировку наносят знаками в виде кругов или полос. Для маркировки цветным кодом номинальное сопротивление резисторов в омах выражается двумя или тремя цифрами (в случае трех цифр — последняя не равна нулю) и множителем 10 в степени n, где n — любое целое число от -2 до +9.
Для резисторов с номинальным сопротивлением, выраженным двумя цифрами и множителем, цветная маркировка состоит из четырех или трех знаков при допустимом отклонении сопротивления ±20% (допустимое отклонение ± 20 % не маркируется). Маркировочные знаки располагают на резисторе слева направо в следующем порядке:

первая цифра;
вторая цифра
множитель;
допустимое отклонение сопротивления.

Для резисторов с номинальным сопротивлением, выраженным тремя цифрами и множителем, цветная маркировка состоит из пяти знаков и располагается слева направо в следующем порядке:

первая цифра;
вторая цифра;
третья цифра;
множитель;
допустимое отклонение сопротивления.

Маркировочные знаки сдвинуты к одному из торцов резистора. Первый знак расположен у торца. Если размеры резистора не позволяют разместить маркировку ближе к одному из торцов, то площадь первого знака делается приблизительно в два раза больше площади остальных знаков. Пример можно посмотреть здесь.

Непроволочные постоянные резисторы

Непроволочные постоянные резисторы типов ВС, МЛТ, УЛМ, С1, С2, СЗ, С4 и другие широко применяют в бытовой радиоэлектронной аппаратуре. Конструктивно они представляют собой цилиндрические или прямоугольные стержни из изоляционного материала, на внешнюю поверхность которых нанесен тонкий токопроводящий слой. Для получения необходимого сопротивления подбирается определенная толщина слоя углерода или металла и прорезается спиральная канавка для увеличения омического сопротивления резистора. Чем меньше толщина слоя и больше витков в его спирали, тем больше номинальное сопротивление резистора. Токопроводящий слой соединен с выводами при помощи колпачков, насаженных на оба конца стержня. Для защиты от влаги и механических воздействий токопроводящий слой и контактные колпачки покрывают влагостойкой эмалью.
Резисторы ВС (высокостабильные) выпускаются с номинальным сопротивлением от 10 Ом до 10 МОм и мощностью рассеивания 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5 и 10 Вт. Они имеют проволочные (ВС-0,125а, ВС-0,25а, ВС-0,5а) и радиальные (ВС 1 — ВС-10) выводы (рисунок 3, а).
Резисторы МЛТ (металлопленочные лакированные теплостойкие) (рисунок 3,б) выпускаются с номинальным сопротивлением от 8,2 ОМ до 10 МОм в соответствии со шкалой номинальных величин и мощностью рассеивания 0,125; 0,25; 0,5; 1 и 2 Вт. Эти резисторы по сравнению с резисторами ВС при одной и той же мощности имеют значительно меньшие габаритные размеры.
Резисторы ОМЛТ имеют такие же электрические параметры, как и МЛТ, но обладают повышенной механической прочностью и надежностью. Их применяют в качестве навесных элементов на печатных платах.
Резисторы УЛМ (углеродистые лакированные малогабаритные) (рисунок 3, в) выпускаются с номинальным сопротивлением от 10 Ом до 1 МОм, мощностью рассеивания 0,125 Вт и рабочим напряжением до 100 В. Малые размеры (длина 6,5 мм, диаметр 2 мм) этих резисторов позволяют использовать их в малогабаритной аппаратуре.
Постоянные непроволочные резисторы групп С1, С2, СЗ изготовляют цилиндрической формы, а группы С4 — прямоугольной. Резисторы указанных групп имеют сравнительно малые габариты и массу, номинальное сопротивление от 1 Ом до 10 МОм и предельное рабочее напряжение от 30 до 1700 В.

Непроволочные переменные резисторы

Непроволочные переменные резисторы типов СП, СПО, СПЗ, ТК, ВК используются для плавной регулировки громкости, тембра, яркости, контрастности и других параметров БРЭА.
В резисторах типа СПЗ (рис. 4) токопроводящий слой наносят на подковообразную гетинаксовую пластинку. На концах токопроводящего слоя выполнены посеребренные контакты, к которым присоединяются крайние выводы. Подвижный контакт, закрепленный на поворотной оси, скользит по токопроводящему слою в пределах заданного угла поворота. Он соединен со средним выводом. При вращении оси ручкой управления или отверткой сопротивление между средним и крайними выводами меняется. Резистор помещается в корпус, закрываемый металлическим экраном.

Резисторы группы А целесообразно использовать в цепях, где напряжение должно изменяться по линейному закону для установления требуемого режима. Такие резисторы применяют в телевизорах для регулировки яркости и частоты строк.
Резисторы группы Б используют в цепях, где необходимо резкое возрастание напряжения в начале поворота оси по часовой стрелке и медленное — в конце.
Резисторы группы В имеют обратно-логарифмический характер изменения сопротивления, т. е. медленно возрастает напряжение в начале поворота и быстро — в конце. Их используют в цепях для регулировки громкости.
В качестве регуляторов стереобаланса двухканальных стереофонических усилителей применяют композиционные сдвоенные переменные резисторы с общей осью. Причем один из них, имеющий характеристику вида Е. включают в левый канал, а второй, имеющий характеристику И,— в правый. На рис. 5., б видно, что в первом резисторе с характеристикой Е в пределах первой половины полного угла поворота оси введенное сопротивление изменяется незначительно, а во второй — резко увеличивается. Во втором резисторе с характеристикой И в пределах первой половины угла поворота оси введенное сопротивление резко уменьшается, а при дальнейшем повороте оси изменяется незначительно.Переменные резисторы типа СПЗ и ранее выпускавшиеся типа СП могут быть одинарными и спаренными, с выключателем и без него, со стопором оси и без него. Резисторы СПЗ-1а и СПЗ-1б являются бескорпусными с полугибкими выводами. Они применяются в БРЭА с печатным монтажом в качестве подстроечных. Резисторы СПЗ-4 с выключателем питания служат в качестве регуляторов громкости и тембра в транзисторных радиоприемниках.

В резисторах СП4 и ранее выпускавшихся СПО (объемных) в отличие от резисторов СП3 токопроводящий объемный композиционный слой выполнен на органической связке и запрессован в керамическое основание. Аксиальные штыревые выводы в них армированы в основании корпуса.
Резисторы ТК, ТКД, В К и ВКУ имеют такую же конструкцию, как и резисторы СП, но несколько больших размеров. Резисторы ТК выполняются с однополюсным выключателем, резисторы ТКД — с двухполюсным, резисторы ВК — без выключателя, а ВКУ — с одним или двумя дополнительными отводами для подключения цепей тонкомпенсации.

Проволочные постоянные и переменные резисторы

Проволочные постоянные резисторы (рис. 6) используются в цепях постоянного и переменного тока звуковой частоты в качестве делителей напряжения, гасящих и нагрузочных резисторов, а также для установления высокой стабильности параметров электрической цепи и большой мощности рассеивания.

Проволочные постоянные резисторы конструктивно представляют собой изоляционное основание из керамики или пластмассы, на которое наматывается токопроводящий элемент из проволоки высоко-омных сплавов константана, манганина или нихрома. К концам обмотки присоединяются выводы из многопроволочной мягкой меди или латунных пластинок. Для изоляции и защиты витков от влаги, загрязнений и механических повреждений обмотку покрывают теплостойкой неорганической стеклоэмалью.

В БРЭА широко применяются постоянные проволочные резисторы ПЭ, ПЭВ, ПЭВР, С5 и др.

Резисторы ПЭ (проволочные эмалированные) (рис. 6, а) выпускаются на номинальное сопротивление от 1,0 Ом до 51 кОм и номинальную мощность рассеивания от 7,5 до 150 Вт. Резисторы ПЭВ (проволочные эмалированные влагостойкие) (рис. 6, б) изготовляют на номинальное сопротивление от 5 Ом до 56 кОм и допустимую мощность рассеивания от 2,5 до 100 Вт. Разновидностью резисторов ПЭВ являются резисторы ПЭВР (проволочные эмалированные влагостойкие регулируемые) (рис. 6, в). В резисторах ПЭВР на боковой поверхности снят слой эмали в виде дорожки, по которой может перемещаться хомутик с контактом. Такая конструкция позволяет регулировать сопротивление, номинальное значение которого находится в пределах от 3 Ом до 2,7 кОм.

Проволочные переменные резисторы используются в качестве регулировочных и подстроечных радиоэлементов при техническом обслуживании и ремонте БРЭА, а также для регулировки больших токов в цепях питания в виде реостатов накала, делителей напряжения и др. Такие резисторы изготовляют на номинальное сопротивление от долей ома до нескольких десятков килоом с мощностью рассеивания от 0,5 до 5 Вт.

Рис. 6. Проволочные постоянные резисторы:

а — ПЭ; б — ПЭВ; в — ПЭВР; г — крепление резистора: 1— шасси; 2 — винт; 3 — шайба фасонная; 4,5 — шайбы изоляционные; 6,7 — шайбы металлические; 8 — гайка.

Конструктивно проволочный переменный резистор (рис. 7) представляет собой тороидальный или трубчатый каркас из керамики или пластмассы, на который в виде обмотки укладывается тонкий провод с высоким омическим сопротивлением. По поверхности провода скользит ползунок из упругой металлической ленты или проволоки, изогнутой на конце. Плавная регулировка сопротивления обеспечивается тем, что при перемещении ползунок касается последующего витка обмотки прежде, чем сойдет с предыдущего. Для включения в схему проволочный переменный резистор имеет три вывода: два — от концов обмотки и третий — от ползунка.В сильноточных резисторах прежних выпусков типа ППБ, ППБЕ (проволочные переменные бескаркасные) резистивный элемент выполнялся намоткой изолированного высокоомного провода на триацетатную пленку, которую затем сплющивали и сушили. Проволочные переменные резисторы типа СП5 изготовляются прямоугольной или круглой формы с армированными в пластмассовом основании жесткими выводами.

Рис. 7. Проволочный переменный резистор (без кожуха): 1 — обмотка;2 — скользящий контакт; 3 — токосъемник; 4 — вывод движка; 5 — вывод концов обмотки; 6—каркас; 7 —ручка.

Полупроводниковые резисторы

К группе полупроводниковых резисторов относятся терморезисторы, фоторезисторы и варисторы.

Рисунок 8. Обозначение на схеме электрической принципиальной: А) Терморезистор; Б) Фоторезистор; В) Варистор.

Терморезисторами называют резисторы, сопротивление которых изменяется с изменением температуры. Они используются в аппаратуре теплового контроля для стабилизации режима работы транзисторных каскадов и размера изображения по вертикали в телевизорах при прогреве отклоняющих кадровых катушек и вторичной обмотки выходного трансформатора кадров. Основным параметром терморезисторов является ТКС. В зависимости от ТКС они подразделяются на термисторы и позисторы.
Термисторы — это полупроводниковые объемные резисторы с отрицательным ТКС (активное сопротивление уменьшается при увеличении температуры).
Позисторы — это полупроводниковые объемные резисторы с положительным ткс.Термисторы и позисторы выпускают с номинальным сопротивлением от 1,0 Ом до 10 МОм.

Фоторезисторы- это полупроводниковые резисторы, изменяющие свое активное сопротивление под воздействием светового потока. При отсутствии светового потока фоторезистор обладает довольно большим сопротивлением (107—108 Ом). Под действием падающего света сопротивление светочувствительного полупроводникового слоя между двумя электродами уменьшается и ток в электрической цепи увеличивается. Конструктивно фоторезисторы выпускают в виде пластин круглой или прямоугольной формы в пластмассовом корпусе с отверстием для прохода лучей света.
Варисторы—это нелинейные полупроводниковые резисторы, сопротивление которых изменяется с изменением приложенного напряжения. С увеличением его сопротивление варисторов уменьшается. Их вольтамперная характеристика симметрична при напряжениях различной полярности. Варисторы малоинерционны, и это свойство позволяет применять их в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Используются они в маломощных стабилизаторах напряжения, цепях автоматического регулирования усиления и полосы пропускания, а также в телевизорах для стабилизации параметров кадровой и строчной разверток. Маркировка варисторов состоит из букв и цифр. Буквы СН означают сопротивление нелинейное; первая цифра — материал (1 — карбид кремния); вторая цифра, написанная через дефис,— вид конструкции (1 — стержневые; 2 — дисковые); третье число — номинальное напряжение (в вольтах) и четвертое число — допустимое от номинального напряжения отклонение (в процентах). Например, СН1-2-1300 В+10 % — варистор из карбида кремния, дисковый, номинальное напряжение 1300 В и допустимое отклонение ±10 %.

Проверка, ремонт и взаимозаменяемость резисторов

Исправность постоянных резисторов проверяют сначала внешним осмотром. При этом обращают внимание на целостность корпуса, отсутствие на его поверхности трещин и сколов, надежность крепления выводов. У неисправного резистора можно обнаружить обуглившиеся поверхности лакового или эмалевого покрытия, а в ряде случаев — колечки.
Небольшое потемнение лакового покрытия допустимо, но в этом случае следует проверить значение сопротивления. Его допустимое отклонение от номинального значения не должно превышать +20 %. Отклонение сопротивления от номинального значения может появиться у высокоомных резисторов (более 1 МОм) при их длительной эксплуатации.
В ряде случаев обрыв токопроводящего элемента не вызывает никаких изменений внешнего вида резистора. Поэтому проверку его на соответствие величины номинальному значению производят с помощью омметра. Перед измерением сопротивления резисторов, установленных в БРЭА, последние необходимо выключить и разрядить электролитические конденсаторы. При измерении должен быть надежный контакт между выводами резистора и зажимами прибора. Чтобы не шунтировать измерительный прибор, не следует касаться руками металлических частей щупов омметра. Значение измеренного сопротивления должно соответствовать номиналу, который обозначен на корпусе резистора с учетом допустимого отклонения и погрешности омметра. Если измерение сопротивления резистора осуществляется без выпаивания его из схемы, необходимо учитывать влияние шунтирующих цепей.
Наиболее часто встречающейся неисправностью у резисторов является перегорание токопроводящего слоя. Оно может быть вызвано прохождением через резистор недопустимо большого тока в результате различных замыканий в монтаже или пробоя конденсатора.
Проволочные постоянные резисторы довольно редко выходят из строя. Основные их неисправности (обрыв или перегорание проволоки) обычно устанавливают при помощи омметра. У переменных непроволочных резисторов чаще всего встречаются нарушения контакта подвижной щетки с токопроводящими элементами. Если такой резистор используется в усилителе звуковой частоты в качестве регулятора громкости, то при повороте его оси в головке громкоговорителя слышен треск. Встречаются также обрывы выводных контактов, изнашивание или повреждение токопроводящего слоя.
Непригодные постоянные резисторы заменяют новыми с соответствующими техническими параметрами: номинальным омическим сопротивлением, номинальной мощностью рассеивания и др. При отсутствии резистора с соответствующим сопротивлением его можно заменить двумя (или несколькими), соединенными параллельно или последовательно.
При последовательном соединении общее сопротивление равно сумме значений сопротивлений резисторов, включенных в электрическую цепь:

При параллельном соединении двух резисторов общее сопротивление можно рассчитать по формуле:

При установке исправных резисторов взамен вышедших из строя необходимо учитывать мощность рассеивания. Без особой нужды не следует завышать ее, так как резистор большой мощности имеет большие геометрические размеры. В современной радиоаппаратуре монтаж очень плотный и разместить несколько резисторов вместо одного или один большего размера довольно трудно. Кроме того, это может привести к соответствующему увеличению паразитных межкаскадных связей, отрицательно влияющих на работу радиоаппарата.
Исправность переменных резисторов определяется омметром. Для этого подключают один щуп омметра к среднему лепестку резистора, а другой — к одному из крайних лепестков. Ось переменного резистора при каждом таком подключении вращают очень медленно. Если резистор исправен, то при вращении его оси стрелка омметра будет отклоняться плавно. Дрожание, рывки ее свидетельствуют о плохом контакте щетки с токопроводящим элементом. Если стрелка омметра вообще не отклоняется, то резистор неисправен. Проверку рекомендуется повторить, переключив другой щуп омметра ко второму крайнему лепестку резистора, чтобы убедиться в исправности и этого вывода. Неисправный переменный резистор необходимо заменить новым или отремонтировать, если это возможно. Для этого вскрывают корпус резистора, тщательно спиртом промывают токопроводящий элемент, внимательно осматривают его и при отсутствии видимых повреждений наносят тонкий слой машинного масла. Затем его собирают и вновь проверяют надежность контакта.
При определении взаимозаменяемости переменных резисторов, кроме вышеназванных параметров для постоянных резисторов, учитывают и характеристику изменения сопротивления от угла поворота его оси. Выбор резистора с соответствующей характеристикой определяют его схемным назначением. Например, для получения равномерного регулирования громкости в усилителях 3Ч выбирают переменный резистор с зависимостью изменения сопротивления (группы В).

Шпаргалки по основам эргономики

2014-11-02T10:36:01Z

ОСНОВЫ ЭРГОНОМИКИ

Эргономика как наука, занимающаяся комплексным изучением человека в производственной деятельности и совершенствованием средств и условий труда.

Эргономика (от греческого ergon – «работа», nomos – «закон», или «закон работы») – это область знаний, которая комплексно изучает трудовую деятельность человека в системе «человек – техника – среда» с целью обеспечения эффективности, безопасности и комфорта трудовой деятельности. Поэтому исследования эргономики базируются на определении закономерностей психических и физиологических процессов, которые лежат в основе определенных видов трудовой деятельности, изучающие особенности взаимодействия человека с орудием и предметами труда.

Возникновению эргономики способствовали проблемы, связанные с внедрением и эксплуатацией новой техники и технологий в ХХ в., а именно рост травматизма на производстве, текучесть кадров и т. д., так как научно-технический прогресс начал набирать обороты, и это требовало нового объединения наук при активном привлечении психологии, гигиены и многого другого. Современная эргономика выступает как интегральная наука о трудовой деятельности, которая позволяет повысить трудовую эффективность путем оптимизации условий труда и всех процессов, с ним связанных. Под эффективностью труда в данном случае выступает не только высокая производительность труда, но и положительное влияние на личность рабочего, удовлетворенность своим трудом. Данные, полученные с помощью эргономики, используются при разработке рекомендаций в системе научной организации труда. Эргономика решает задачи оптимизации трудовой деятельности, способствует охране труда, обеспечивая его гигиену и безопасность труда. И если гигиена труда в эргономике организуется на основе требований физиологии и медицины, то эргономический аспект безопасности труда решается, главным образом, при непосредственном вмешательстве психологии.

Нужно отметить, что эргономика занимается не только усовершенствованием условий труда при существующей технике, но и разработкой рекомендаций по проектированию новой техники и новой организации труда с позиций требований этой науки. Исходя из психологических, гигиенических и прочих условий труда, она вырабатывает соответствующие требования к технике, в том числе и к техническим средствам безопасности труда. Современная эргономика исследует не только усовершенствование условий труда при существующей технической оснащенности, но и разработку рекомендаций новой организации труда с позиций требований этой науки. Предметом эргономики является изучение системы человек – машина – среда и ее действие. Эргономика рассматривает распределение труда между человеком и машиной, следит за соблюдением безопасности труда при взаимодействии с механизмами, анализирует и распределяет обязанности операторов, разрабатывает дизайн рабочих мест с учетом антропометрических данных, в том числе и для лиц с ограниченными трудовыми возможностями. Эргономика основывается на психологии, социологии, физиологии и медицине, гигиене труда, общей теории систем, теорий управления и организации труда, охране труда, некоторых технических науках и технической эстетике. Методологической базой эргономики является теория систем, которая позволяет получить всестороннее представление о производственном процессе и предлагает пути его совершенствования, что включает учет склонностей, характера каждого работника, удовлетворенности трудом, что, несомненно, отражается на эффективности и качестве труда.

Цели и задачи эргономики.

Целью эргономики является изучение закономерностей трудовых процессов, роли человеческих факторов в трудовой деятельности и повышение эффективности производства при соблюдении условий безопасности труда. Кроме того, эргономика включает изучение конфликтных ситуаций, стрессов на рабочем месте, утомления и нагрузки с учетом индивидуальных особенностей работника. Особое внимание эргономика уделяет процессу отбора, обучения и переобучения специалистов. Создание информационной базы, коммуникаций, дизайна рабочего места непосредственно отражается на производственном процессе и отношениях. Выработка единых стандартов и критериев трудовой деятельности для каждой профессии в подобных условиях имеет важное значение для безопасности, минимизации аварийных ситуаций и оптимизации условий труда. В основе вышеперечисленных целей можно сформулировать несколько основных теоретических задач:

· разработка специфических категорий эргономики, которые отражают специфику предмета, содержания и методов;

· поиск и описание связи между трудом человека и эргономическими параметрами технических систем и внешней средой;

· разработка теоретических основ проектирования деятельности человека-оператора с учетом особенностей технических систем;

· исследование закономерностей взаимодействия человека и технических систем и др.

Физиологические, социологические, экономические, психологические, антропологические, технологические, гигиенические факторы влияющие на эргономику.

Эргономика как научная дисциплина базируется на синтезе достижений наук о человеке, обществе, технических и естественных наук и в рамках междисциплинарных исследований согласовывает и увязывает друг с другом их данные, достигая в эргономических рекомендациях слияния человеческого и технического аспектов. Эргономические исследования осуществляет коллектив специалистов: психологов, физиологов, гигиенистов, архитекторов, дизайнеров, инженеров и т.д.

Эргономический подход к решению задачи оптимизации жизнедеятельности человека определяется комплексом факторов. Главные из них, обусловленные индивидуальными особенностями человека, приведены ниже.

Социально-психологические факторы предполагают соответствие конструкции машины (оборудования, оснащения) и организации рабочих мест характеру и степени группового взаимодействия, а также устанавливают характер межличностных отношений, зависящий от содержания совместной деятельности по управлению объектом.

Антропометрические факторы обуславливают соответствие структуры, размеров оборудования, оснащения и их элементов структуре, форме, размерам и массе человеческого тела, соответствие характера форм изделий анатомической пластике человеческого тела.

Психологические факторы предопределяют соответствие оборудования, технологических процессов и среды возможностям и особенностям восприятия, памяти, мышления, психомоторики закрепленных и вновь формируемых навыков работающего человека.

Психофизиологические факторы обуславливают соответствие оборудования зрительным, слуховым и другим возможностям человека, условиям визуального комфорта и ориентирования в предметной среде.

Физиологические факторы призваны обеспечить соответствие оборудования физиологическим особенностям человека, его силовым, скоростным, биомеханическим и энергетическим возможностям.

Гигиенические (гигиена — греч. hygiein6s — приносящий здоровье) факторы предопределяют требования по освещенности, газовому составу воздушной среды, влажности, температуре, давлению, запыленности, вентилируемоети, токсичности, напряженности электромагнитных полей, различным видам излучений, в т.ч. радиации, шуму (звуку), ультразвуку, вибрациям, гравитационной перегрузке и ускорению.

Зарождение эргономики в 50-х годах XX века. Развитие эргономических исследований в конце XX века.

Первые предпосылки развития новой науки о труде были положены в 1857 г. и основаны на изучении закономерности науки о природе, предложенной Войтехом Ястшембовским. В дальнейшем такой же смысл в понятие «эргономика» вкладывали и многие другие ученые (В. М. Бехтерев, В. Н. Мясищев и др.). Отечественными учеными еще в 1920-х гг. было отмечено, что трудовой деятельности не уделяется должного внимания и нет науки, которая полностью посвящает свои исследования и разработки труду человека. Термин «эргономика» (греч. Ergon – работа и nomus –закон) был принят в Англии в 1949 году, когда группа английских ученых положила начало оргнизации Эргономического Исследовательского Общества. ВССР в 20-е годы предполагался термин «эргология», но в настоящее время в качестве названия официально данной науки использутеся термин, предложенный в Англии. 1949 г. считается годом зарождения новой науки. Однако первоначально эргономика развивалась медленно. Это было связано с тем, что эргономические рекомендации предполагали внесение изменений в уже существующие технические системы (коррективный этап развития эргономики). Решение проблемы заключалось в том, чтобы выработать соответствующие рекомендации до создания системы (проективный этап развития эргономики). Научно-техническая революция способствовала развитию эргономики в США, Японии, ФРГ, Англии и других промышленно-развитых странах. Об этом свидетельствуют многочисленные публикации, создание специальных ежемесячных журналов, подготовка кадров в области эргономики.

Современные исследования оценки социально-экономической эффективности внедрения эргономики подтверждают, что «эргономические мероприятия дают от 2 до 5% повышения производительности труда». Во всем мире дизайн и эргономика считаются выгодной, прибыльной сферой приложения средств. Крупнейшая авиастроительная компания “Боинг” в США тратит на эргономические исследования и профилактику заболеваний у своих рабочих в три раза больше средств, чем на закупку “летающего” металла алюминия, привлекая к решению возникающих проблем лучших специалистов по физиологии труда и эргономике. На настоящем этапе практически все средние и крупные промышленные предприятия экономически развитых стран имеют в своем штате специалистов по эргономике.

В СССР эргономика как самостоятельная научная дисциплина начала развиваться в 50-е годы. В 1972 году в Москве была проведена Международная конференция ученых и специалистов стран - членов СЭВ по вопросам эргономики, способствовавшая дальнейшему развитию и координации научных исследований и практическому внедрению их результатов в сферу производства. В 1992 году Россия была принята в Международную эргономическую ассоциацию. В настоящее время координацией работ в области эргономики занимается Всероссийский научно-исследовательский институт технической эстетики (ВНИИТЭ), созданный в 1962 г. Институт базирует свои исследования и разработки на использовании компьютерных технологий и программ, рассматривая их как современную техническую основу создания высококачественной продукции.

Основные направления деятельности ВНИИТЭ:

· фундаментальные и прикладные исследования в области теории и методики дизайна;

освоение и внедрение современных технологий и достижений науки и техники для создания промышленных изделий с высокими потребительскими свойствами;

· формирование государственной системы цвета; подготовка и повышение квалификации кадров в области дизайна;

· рекламно-выставочная пропаганда в области науки и новых технологий;

· обеспечение профессиональной информацией специалистов в области науки,промышленности и управления;

· редакционно-издательская и полиграфическая деятельность.

ВНИИТЭ располагает квалифицированными кадрами специалистов, обеспечивающими профессиональный уровень исследований и разработок. В институте работает 80 научных работников и дизайнеров. Институт подготавливает кадры высшей квалификации по специальностям “Техническая эстетика” и “Эргономика”. Кроме ВНИИТЭ ведущей научно-исследовательской организацией в России в области эргономики является Государственное унитарное предприятие “Межотраслевой центр эргономических исследований и разработок” (Эргоцентр). Эргоцентр имеет статус головной организации Министерства экономики РФ по эргономике и базовой организации Министерства обороны РФ по военной эргономике. Организация существует с 1978 года, в свою нынешнюю форму преобразована в 1991 году.

Основными направлениями работ являются: организация эргономических исследований и разработок, научно-методическое руководство внедрением их результатов в практику; проведение независимой эргономической экспертизы важнейших образцов специальной техники и техники народнохозяйственного назначения; разработка нормативно-технических документов по эргономике. Таким образом, становление и развитие эргономики отражает объективные потребности общественного производства в синтезе достижений социально-экономических, естественных и технических наук применительно к задачам исследования и проектирования организации труда, повышения его эффективности и качества.

Аналитические, описательные, расчетные методы.

Эргономическое изучение и оптимизация деятельности человека с техникой имеют свою специфику. Во-первых, направленность эргономики на проектирование деятельности и ее средств требует применения не только экспериментальных, но и априорных проектировочных методов, а также приемов, с помощью которых удается формализовать то, что ранее задавалось лишь описательно. Во-вторых, оперирование обобщенными показателями активности, напряженности и комфортности деятельности обусловливают процедуры получения интегральных критериев на основе комплекса частных показателей. В-третьих, эргономическое исследование, проектирование или оценка, как правило, предполагают одновременное применение различных методов, отражающих взаимосвязи между компонентами и основными свойствами системы «человек – машина». Перечисленные особенности определяют стратегию выбора методов для решения конкретных эргономических задач.

Методы исследования в эргономике условно могут быть разделены на три группы: аналитические (или описательные), экспериментальные и расчетные. В большинстве исследований они тесно переплетены между собой и применяются одновременно, дополняя и обогащая друг друга.

Практически каждая эргономическая проблема возникает в результате переформулировки реальных задач, которые анализируются эргономистами с точки зрения выявления специфики деятельности человека или группы людей с техникой в производственной или иной среде. Эргономист должен уметь квалифицированно анализировать производственную сферу деятельности – производительность труда, профессиональный опыт, условия труда, брак, текучесть кадров, ошибочные действия, травматизм и т.п.

Методы количественной и качественной обработки данных.

Классификация и типологизация собранной эмпирической информации о деятельности субъекта труда. Так же, как и в случае сравнительного анализа эмпирической информации, эта процедура качественного анализа обусловлена целью или практической задачей профессиографирования. Так, например, для составления психологической характеристики; способов и приемов исполнения технологических или нормативно заданных операций необходимо на основе пооперационного анализа их исполнения и анализа соответствующей документации о трудовом процессе сгруппировать операции по их назначению и способам исполнения на ориентировочно-познавательные, подготовительные, исполнительные и контрольные

Так же, например, для определения основных причин аварий, брака, ошибок и других аномальных явлений в профессиональной деятельности субъекта труда необходимо их рассмотреть с качественной и количественной сторон и определить, что или кто является основной причиной их возникновения. В связи с этим осуществляется классификация этих причин на внешние (объективные), обусловленные внешними техническими или организационными причинами, и внутренние (субъектные), возникающие по вине человека. Статистический и графический методы анализа используются с целью получить количественную информацию о закономерностях и динамике протекания профессиональной деятельности.

Статистический анализ позволяет выделять не только количественные изменения в деятельности, но и их динамику в течение рабочего дня, и особенно на отдельных временных отрезках работы, по средним арифметическим показателям, по среднему квадратичному отклонению, средним ошибкам и ранговым корреляциям, посредством факторного анализа и др.

Методы интерпретации данных.

Выбор методов для анализа и интерпретации данных будет зависеть, естественно, от самих данных. Как уже говорилось, все данные, полученные в результате эргономических исследований, делятся на три категории. К первой относятся все сведения о человеке-пользователе: как правило, это демографические, социологические и психологические характеристики. Причем к психологическим данным могут относиться сведения, собранные в результате опроса пользователей об их интересах, и предпочтениях, об их представлениях о продукте и отношении к нему, а также результаты психологического тестирования и психологического наблюдения, например, наблюдение за эмоциональными реакциями пользователя при взаимодействии с системой.

Вторую категорию данных составляют параметры деятельности испытуемого в процессе тестинга продукта. Большое значение здесь придается количественным показателям, связанным с выполнением деятельности в целом и отдельных действий, в частности, таких как время выполнения пользовательских задач, количество ошибок, количество «шагов» или операций, сделанных пользователем для достижения цели.

Третья категория данных представляет собой информацию о продукте. В процессе взаимодействия пользователя специалист должен наблюдать не только за действиями и реакциями пользователя, но и за действиями и реакциями самой системы. Здесь также большую роль играют количественные показатели, например, время поиска информации, время загрузки страницы и т.д. Кроме этого подобная информация может быть получена путем сравнительного анализа элементов продукта с различного рода стандартами. При анализе и интерпретации результатов, полученных в эргономическом исследовании, на первом этапе работы следует понять, к какой категории данных относятся полученные факты. Подобная систематизация позволяет правильно выбрать методы для дальнейшей качественной и количественной обработки. Под количественной обработкой чаще подразумевают использование статистических параметров и закономерностей. Качественная обработка результатов дает возможность увидеть за действиями и высказываниями пользователя причины возникающих в системе проблем.

Психофизиологические, психофизические, психометрические методы.

В методический арсенал эргономики входят многие психофизиологические методики: измерение времени реакции (простой сенсомоторной реакции, реакции выбора, реакции на движущийся объект и т.д.); психофизические методики (определение порогов и динамики чувствительности в различных модальностях); психофизические методы исследования перцептивных, мнемических, когнитивных процессов и личностных характеристик.

Психометрия – область психологии, связанная с теорией и практикой измерения количественных измерений психических явлений, от психофизических до личностных. Понятие психометрия было введено в 1734 г. Христианом Вольфом. В области психометрии разработаны основные критерии качества психологического измерения – такие свойства психологических тестов, как надежность, валидность, репрезентативность. В области дифференциальной психологии психометрия является технологической основой для измерительной психодиагностики. Среди множества психометрических методов можно выделить методы, связанные с анализом особенностей зрительного и слухового восприятия, движений, выполняемых руками. Из указанных методов наиболее широко используются методы определения лабильности зрительного и двигательного анализаторов, тональная аудиометрия, а также методы, позволяющие оценить сенсомоторные характеристики человека. 1. Для определения лабильности процессов, протекающих в зрительном анализаторе, наиболее часто используются методы определения критических частот световых мельканий – критической частоты слияния световых мельканий (КЧСМ) и критической частоты различения световых мельканий (КЧРМ). В основе методик определения критических частот лежит способность глаза воспринимать низкочастотные периодические прерывания светового раздражителя. Многочисленные сведения указывают на то, что значение КЧСМ (КЧРМ) в основном определяются подвижностью нервных процессов в корковом отделе зрительного анализатора. Чем больше таких циклов в единицу времени могут воспроизвести нервные структуры коры, воспринимающие зрительную информацию, тем выше лабильность зрительного анализатора и показатели критической частоты световых мельканий. Экспериментально показано, что КЧСМ (КЧРМ), измеряемая количеством световых мельканий в секунду (КЧРМ), изменяется у человека в пределах от 14 до 70 Гц, отражая индивидуальные особенности нервных процессов мозга и текущее функциональное состояние ЦНС. Средняя – 30-40. Экспериментальные исследований показали, что лабильность нервной системы, оцениваемая по критической частоте световых мельканий, коррелирует с особенностями целого ряда психических процессов, успешностью спортивной и профессиональной деятельности человека. 2. Темпинг-тест Скоростные показатели человека (качество быстроты) в физиологии принято понимать как проявление способности совершать различного рода действия в максимально быстром темпе.

Одним из интегральных показателей быстроты может быть максимальная частота движений. Согласно учению А.А. Ухтомского, количество движений, которые живая система может осуществить в единицу времени, служит характеристикой ее лабильности. Способность человека совершать быстрые движения определяется многими факторами: весом и амплитудой перемещаемого звена, плоскостью, в которой про изводится движение, возрастом и полом морфо-функциональными особенностями мышечного аппарата, подвижностью нервных процессов и взаимными влияниями нервных процессов. Скорость выполнения движений определяется, главными образом, центральными нервными процессами. Непосредственное участие в формировании ритмических движений принимает теменная область коры больших полушарий. Д.Д. Ухтомский полагал, что повышение максимальной частоты движений является результатом усвоения ритма функциональной системой и отражает повышением лабильности нервных центров и исполнительных органов. Экспериментально показано, что каждой группе мышц присущ свой собственный максимальный темп движений. Частота движений справа обычно выше, чем слева, и она повышается в результате тренировки. Наибольший интерес представляет изучение максимального темпа движений пальцев кистей рук, поскольку с одной стороны, эти движения достаточно легко зарегистрировать, а с другой, именно рука является «орудием труда», в том числе, интеллектуального. Сравнительный анализ показал, что максимальная частота движений, совершаемых большим, указательным и средним пальцами кисти руки (4,5–5,4 Гц), выше, чем безымянным и мизинцем (4,3–4,8 Гц). Методически наиболее простым является способ нанесения ударов карандашом по листу бумаги, расчерченному на квадраты. Более точными и менее трудоемкими с точки зрения последующей оценки результатов являются способы, реализованные в специализированных или полифункциональных психометрических устройствах. Однако во всех случаях обследуемому предлагается работать в максимальном темпе кистью руки и дается задание за определенный интервал времени поставить в определенном квадрате (или на функциональной панели) как можно больше точек (или нанести как можно больше ударов). Как известно, способность к выполнению движений в том или ином темпе в значительной степени зависит от индивидуально-типологических особенностей. Практически у всех обследуемых этой группы максимальный темп движений отмечается в первые 5 с. работы. Лица со слабой нервной системой показывают меньшую скорость теппинга при действии стресс-факторов, тогда как лица с сильной – более высокую. Время простой сенсомоторной реакции в большинстве случаев оказывается короче у лиц с преобладанием возбуждения над торможением, однако, только на стимулы слабой интенсивности. На стимулы средней и высокой интенсивности такой зависимости не обнаруживается. Взаимосвязи с уровнем подвижности нервных процессов также не обнаружено (Н.В. Макаренко, 1989). Однако время сложной сенсомоторной реакции достоверно различается в группах обследуемых, различающихся по функциональной подвижности нервных процессов. 3. Динамический тремор Тремор – это колебания дистальных звеньев конечностей сравнительно небольшой амплитуды. Открыл И.М. Сеченов.

В настоящее время полагают, что тремор – абсолютно нормальное физиологическое явление. Он является нормальной реакцией на регулирующие воздействия нервных центров на мышцы, влияния дыхательных и сердечных сокращений на устойчивость тела и т.д. Тремогpафия и тремометрия – это метод определения координации движений, точности воспроизведения активных движений пространственной оценки. Тремометрией называется регистрация постоянных и вольных мелких колебаний отдельных звеньев. Различают статический и динамический тремор. Статический тремор можно наблюдать, например, в форме колебаний дистальных звеньев руки при ее неподвижном, вытянутом вперед положении. Динамический тремор измеряется при обводке контуров различной конфигурации.. Однако в любом случае сущность обследования заключается в том, что человеку необходимо удержать стержень в отверстии (статический тремор) или провести его в прорези (динамический тремор) таким образом, чтобы не коснуться краев отверстия или прорези. Для измерения динамического тремора используется тремометр, имеющий на рабочей поверхности прорезь синусоидальной формы шириной 3 мм и длиной 10–15 см. Во время обследования штырь все время должен быть погружен в глубину прорези на 2–3 мм. В возрастном диапазоне от 18 до 35 лет амплитуда и частота колебаний тремора устойчиво снижается. На величину динамического тремора влияет и подвижность процесса возбуждения. Об этом свидетельствует, в частности, наличие положительной корреляции между соответствующими показателями. Характеристики тремора обнаруживают связь с силой нервной системы: у лиц со слабой нервной системой тремор менее выражен. Тремор левой руки отрицательно коррелирует с показателями интеллекта. Сопоставление результатов, полученных на группах мужчин и женщин, показало, что в условиях нагрузки па вестибулярный аппарат тремор обеих рук женщин увеличивается в 3–4 раза больше, чем у мужчин того же возраста. В условиях интеллектуальной нагрузки сдвиги у женщин и мужчин отличаются не только количественно, но и качественно. Так, перед экзаменами частота колебаний и амплитуда тремора у женщин больше, чем у мужчин, однако по его завершении у женщин они достаточно быстро восстанавливаются до фонового уровня, тогда как у мужчин продолжают нарастать. Характеристики тремора существенно изменяются при развитии утомления, коррелируя с динамикой производительности труда, что позволяет с успехом применять их для диагностики состояний физического и интеллектуального утомления, эмоционального напряжения. Вследствие этого различные варианты тремометрии весьма популярны в физиологии спорта, авиационной и космической медицине.

Методы электрофизиологии. Биотелеметрия.

· В эргономике широкое распространение получили методы электрофизиологии, изучающей электрические явления в организме человека при различных видах его деятельности. Они позволяют оценивать временные параметры многих процессов, их выраженность, топографию, механизмы их регулирования и т.д. К ним относятся:

· 1) электроэнцефалография – запись электрической активности мозга с поверхности головы – дает возможность качественного и количественного анализа функционального состояния собственной активности мозга и его реакций при действии раздражителей;

· 2) электромиография – запись электрической активности мышц – чувствительный показатель включения в двигательную активность или статическую работу определенных мышечных групп;

· 3) регистрация кожно-гальванической реакции – изменение разности потенциалов кожи – показатель электропроводимости кожи;

· 4) электрокардиография – запись электрической активности сердца – индикатор состояния сердечно-сосудистой системы;

· 5) электроокулография – запись электрической активности наружных мышц глазного яблока – объективный показатель перемещения взора человека при рассматривании какого-либо объекта.

· Регистрация биологических процессов в организме человека позволяет определять и количественно характеризовать малодоступные для непосредственного наблюдения функциональные сдвиги в организме человека, происходящие под воздействием самых разнообразных изменений окружающей среды и взаимодействия с техникой. Часто применяют регистрацию не одного, а нескольких электрофизиологических индикаторов, каждый из которых несет информацию о том или ином аспекте деятельности. Комплексную регистрацию психофизиологических функций называют еще полиэффекторным методом.

· Включает эргономика в свой методический арсенал и биотелеметрию - дистанционное исследование функций и измерение показателей жизнедеятельности человека, которое осуществляется в реальной обстановке в течение длительного времени.

· Фиксация количественного и качественного снижения работоспособности, а также нарушения координации процессов, связанных с выполнением работ, позволяет наблюдать за развитием утомления без отрыва человека от трудового процесса, причем часто выявляется снижение работоспособности еще до изменения количественных и качественных показателей работы. С одной стороны, наблюдаются нарушения рабочего стереотипа. С другой стороны, отмечается снижение эффективности физиологических трат на единицу работы. Оно прослеживается по данным газообмена, температуры тела, частоты пульса и др.; в последнем случае эффективно использование непрерывной радиопульсометрии в процессе выполнения работы.

· Перспективным является применение в диагностических целях субъективных оценок утомления. Объясняется это многообразием проявлений симптомов утомления во внутренней жизни индивида, среди которых выделяется две категории: субъективные оценочные реакции, характеризующие отношение индивида к собственному состоянию, и объективно контролируемые признаки утомления (физиологический дискомфорт и нарушения психической деятельности), которые могут осознаваться человеком. Существование качественно различных групп симптомов дает основание для развития различных направлений в методах субъективной диагностики – опросников и субъективного шкалирования.

· Опросники позволяют выявить качественно разнообразные симптомы утомления, которые с большей или меньшей легкостью могут быть осознаны человеком. Количественная оценка или определение степени выраженности каждого признака не ставятся главной целью подобных исследований. Состояние человека оценивается общим количеством симптомов и их качественным своеобразием.

· Методики субъективного шкалирования предназначены для оценки степени утомления самим человеком. Испытуемого просят соотнести свое состояние с рядом признаков, для каждого из которых выделены полярные оценки (отсутствие/присутствие, плохой/хороший). Расстояние между крайними точками представляется в виде многоступенчатой шкалы. Степень выраженности каждого признака определяется расположением точки, выбранной испытуемым на этой шкале

· Методы измерения рабочей нагрузки разнообразны. Измерение рабочей нагрузки на практике необходимо прежде всего для установления того, что действия, которые должен выполнять человек, осуществимы и для выявления тех из них, которые вызывают наибольшую нагрузку.

· Один из методов оценки рабочей нагрузки основан на анализе выполнения задач по временной шкале. Обработка данных о временных распределениях задач может осуществляться вручную и на компьютере. В том и другом случае составляется «профиль рабочей нагрузки». Этот профиль должен быть проанализирован и уточнен опытными операторами. Пики рабочей нагрузки указывают на какие фрагменты выполнения задачи следует обратить наибольшее внимание.

· В эргономических исследованиях находят применение методы биомеханики: ускоренная киносъемка, циклография, киноциклография, видеозапись, тензометрия, электрическая регистрация механических величин с помощью датчиков угловых перемещений, опорных динамографов и др. С их помощью характеризуется двигательная активность человека с точки зрения эффективности трудовых движений, работы различных звеньев опорно-мышечного аппарата.

· Широкое применение получила техника антропометрических исследований – измерение тела человека и его частей: головы, шеи, груди, живота, конечностей при помощи специальных инструментов. Измеряются длина и ширина, обхват (окружность) и другие параметры частей тела.

Техники антропометрических исследований. Профессиографирование.

ТАИ — измерение тела человека и его частей: головы, шеи, груди, живота, конечностей при помощи специальных инструментов. Измеряются длина и ширина, обхват (окружность) и другие параметры частей тела

В науках о труде сложились два метода получения исходной информации, необходимой для описания трудовой деятельности, или составления профессиограммы. Это методы описательного и инструментального професиографирования, которые в определенной модификации используются и при изучении деятельности человека с технически сложными потребительскими изделиями. Описательное профессиографирование включает:

♦ анализ технической документации и инструкций по использованию техники или технически сложных потребительских изделий;

♦ эргономическое изучение техники (систем) или технически сложных потребительских изделий, сопоставление его результатов с нормативными документами по эргономике;

♦ наблюдение за ходом рабочего процесса или деятельностью с потребительскими изделиями. С помощью этого метода, дополненного хронометражем — регистрацией изменения во времени характеристик деятельности, а также видеозаписью всех операций в порядке их следования, можно достаточно подробно описать деятельность человека;

♦ опрос — регламентированный, для которого характерны предварительная подготовка единообразных для всех опрашиваемых вопросов и строго заданная их последовательность, и нерегламентированный, предполагающий свободную беседу с опрашиваемым в соответствии лишь с ее общим планом, что требует определенных навыков и даже искусства;

♦ самоотчет человека в процессе деятельности;

♦ экспертную оценку;

♦ количественную оценку эффективности деятельности.

Инструментальное профессиографирование включает:

♦ измерение и оценку показателей факторов среды;

♦ регистрацию и последующий анализ ошибок. Сбор и анализ данных об ошибочных действиях человека являются одним из важных путей анализа и оценки эргономических характеристик системы "человек-машина" или технически сложных потребительских изделий;

♦ объективную регистрацию энергетических затрат и функционального состояния организма человека;

♦ объективную регистрацию и измерение трудно различимых (в обычных условиях) составляющих деятельности человека, таких как направление и переключение внимания, оперирование органами управления и др.Для этого используются различные методы: регистрация направления взгляда человека и показаний приборов с последующим наложением траектории взгляда на приборную панель; циклография, или кинорегистрация движений рук; измерение силы сопротивления органов управления; магнитофонная регистрация речевых сообщений. Подобные методы и средства используются непосредственно в процессе деятельности, а регистрируемые параметры соотносятся с хронограммой трудового процесса;

♦ объективную регистрацию и измерение показателей физиологических функциональных систем, обеспечивающих процессы обнаружения сигналов, выделения информативных признаков, информационного поиска, оперирования исходными данными для принятия решений, а также исполнительные (двигательные или речевые) действия. К числу таких показателей относится, например, состояние зрительной системы, речевого и двигательного аппаратов. Регистрации подлежат движения глаз наблюдателя, громкая и внутренняя речь, движения и тремор рук, а также электрическая активность зрительной, речевой и двигательной областей коры головного мозга. Эти показатели регистрируются с помощью довольно сложного электрофизиологического оборудования, результаты требуют трудоемкой математической обработки.

Перечисленные методы профессиографического исследования используются в зависимости от степени сложности изучаемой деятельности и требуемой полноты ее описания. Во многих случаях достаточно метода описательного профессиографирования

Понятие «рабочая система» и эргономические принципы ее проектирования.

В 1993 г. обновлен международный стандарт "Эргономические принципы проектирования рабочих систем", разработанный в 1981 г. техническим комитетом 159 "Эргономика" Международной организации по стандартизации.

Новым для российских эргономистов явился термин "рабочая система", которая в соответствии со стандартом включает одного человека или большее число людей и производственное оборудование, используемое при выполнении задачи системы в рабочем пространстве, в среде на рабочем месте и в ситуациях, определяемых рабочими задачами. К производственному оборудованию, согласно стандарту, относятся инструменты, машины, транспортные средства, приборы, рабочая мебель и различное вспомогательное оборудование. Под рабочим пространством понимается некоторый объем, предназначенный в рабочей системе для трудовой деятельности одного человека или большего числа людей и позволяющий выполнить рабочую задачу. Рабочая среда (производственная среда) — это физические, химические, биологические, организационные, социальные и культурные факторы, совокупность которых составляет среду на рабочем месте. Рабочая задача, как раскрывается содержание этого термина в стандарте,— это цель, которая должна быть достигнута в определенных условиях, и требуемые действия для выполнения задачи человеком или большим числом людей.

В методическом отношении эргономическое проектирование характеризуется чередованием неформальных (интуитивных, творческих, эвристических) процедур с процедурами формальными (расчетными, математическими). Это способствует рождению новых проектных идей и нахождению нестандартных эргономических решений, учитывающих сложные, в большинстве своем неформализуемые характеристики человека, доведению этих идей и решений до количественной оценки конкретных вариантов технических средств, параметров функционирования и т.п. Использование в эргономическом проектировании процедур системной оптимизации позволяет находить целесообразные проектные решения по выбранным приоритетным критериям с учетом закономерностей деятельности человека, критериев его физического и психического состояния, а также технических, экономических, демографических и других ограничений. Известно несколько организационных форм эргономического проектирования. В одних случаях проектировщики и конструкторы самостоятельно решают некоторые задачи эргономического проектирования, используя для этого руководства по эргономике, эргономические стандарты, справочники. В других случаях они привлекают к проектированию в качестве консультантов профессиональных эргономистов. И, наконец, третья форма, когда организуются междисциплинарные группы из эргономистов и ученых смежных научных дисциплин — социологов, проектировщиков, конструкторов, технологов, дизайнеров и других специалистов для решения эргономических задач проектирования систем "человек - машина".

Как показывает опыт, третья форма наиболее эффективна при условии, что цели эргономического проекта ясны и приняты всеми участниками междисциплинарной группы. Это не исключает, однако, что по мере выполнения проекта нередко происходит развитие целей. Самое сложное в работе такой группы — это достижение приемлемых компромиссов. Эффективность групповой деятельности будет низка, если входящие в группу эргономисты не имеют проектных установок, не владеют проектно-ориентированным инструментарием (методы, средства, практические навыки), если они не умеют "вживаться" в общий замысел проекта, не несут ответственности за проект в целом и за последствия его практической реализации.

Эргономическое проектирование — составная часть разработки проектов и осуществляется с учетом их отличительных признаков:

1) четкие цели, которые должны быть достигнуты с одновременным выполнением ряда технических, экономических и других требований;

2) внутренние и внешние взаимосвязи операций, задач и ресурсов, требующие четкой координации в процессе выполнения проекта;

3) определенные сроки начала и конца проекта;

4) ограниченные ресурсы;

5) определенная степень уникальности целей проекта, условий осуществления;

6) неизбежность различных конфликтов.

Эргономическое проектирование

Эргономическое проектирование осуществляется на всех этапах общего процесса проектирования (табл. 1-2). На стадии технического задания важно выполнить корректный эргономический анализ задач инженерного проектирования, определив действительную роль человека в управлении, обслуживании и ремонте системы, возможное воздействие на него условий ее функционирования. Как правило, приходится добиваться изменения задаваемого техническими специалистами характера и степени участия человека в функционировании системы. Поэтому речь идет не об акте одноразовой выдачи эргономического раздела технического задания, а о совместной с другими специалистами разработке общего технического задания. На этой стадии наиболее полно проявляется принцип эргономической деятельности: заказчику следует предоставлять не то, что он просит, а необходимое ему на самом деле, отвечающее подлинным его интересам. Такой подход — не проявление снобизма специалистов и не желание посредством проектирования сделать людей счастливыми помимо их воли, а стремление восполнить все еще низкий уровень эргономической культуры в обществе. По мере того, как во многих странах становится нормой участие в проектировании персонала будущих технических систем, потребителей, пользователей, деятельность эргономистов в соответствии с указанным принципом позволяет всем им лучше и глубже понять свои задачи в новом деле. На основе сотрудничества специалистов с неспециалистами возникло и интенсивно развивается специальное направление — эргономика участия, сверхзадача которого — побуждать людей к эргономическому образу мышления, что явится солидной предпосылкой создания лучшего мира людьми и для людей.

Участие персонала, потребителей, пользователей в проектировании, а также возникновение эргономического проектирования и эргономики участия — это реакция на несовершенство существующих методов проектирования и разработки новой техники. Особенно остро недостатки указанных методов проявились при создании новой информационной технологии, о которой можно говорить, что она состоялась, если произошло объединение мира компьютера с миром конечного пользователя.

Анализ рабочих задач, деятельности человека или группы людей, прототипов и аналогов проектируемого объекта, а также нормативно-технической документации, проводимый по выбранной или специально разработанной методике, является первым этапом эргономической деятельности на стадии технического предложения и эскизного проекта. Он подготавливает почву для выполнения на этой же стадии эргономического концептуального проекта, содержащего основной замысел эргономического решения проектируемого объекта и обоснование выбранного варианта решения. При проектировании больших систем осуществляется функциональное и математическое моделирование деятельности человека.

В концептуальном эргономическом проекте, основанном на уточнении распределения функций в системе "человек —машина", первоначальном проектировании рабочих задач и деятельности человека или группы людей, конкретизируются эргономические требования к технической системе, рабочему пространству и рабочему месту, среде, предварительно определяется число людей, необходимых для управления и обслуживания технической системы. Это создает основу для разработки сначала укрупненных, а затем и детальных алгоритмов деятельности человека. Такое алгоритмическое описание позволяет перейти к определению тех психологических и физиологических функций, которые обеспечивают реализацию отдельных действий и логических условий. Концептуальный эргономический проект разрабатывается на основе поискового макета проектируемого объекта (этой цели могут служить макеты дизайнеров) (рис. 1-6). Макет выполняется в натуральную величину из недорогих материалов (фанера, картон и т.д.) и представляет собой трехмерную модель оборудования или блока системы (макетировать большую систему целиком, как правило, не представляется возможным).

Таблица 1-2. Взаимосвязь конструкторских, дизайнерских и эргономических работ в процессе проектирования изделий

Примечания:

1. Перечень работ в таблице условный, взаимосвязь и результаты могут меняться в зависимости от специфики объекта разработки, глубины эргономической проработки и других факторов.

2. Содержание и результаты конструкторских и дизайнерских работ раскрывается в самом общем виде и в той только части, которая имеет непосредственное отношение к эргономическим работам.

Поисковый макет может использоваться для выбора оптимального способа организации оборудования; его эргономической оценки; получения ответов на такие вопросы о его функционировании, которые не могут быть решены с помощью двухмерных чертежей; решения задач организации рабочего места; проверки размещения органов управления с точки зрения удобства пользования; проверки точности и скорости считывания показаний приборов; определения доступности точек при проверке, испытаниях и регулировке в процессе технического обслуживания оборудования и т.д. Для экспериментальных эргономических исследований на этой же стадии создается функциональный макет (моделирующий комплекс), который в отличие от поискового может имитировать процесс функционирования аппаратуры (при этом он может и не имитировать внешний вид объекта). Деятельность человека здесь организуется таким образом, что ее основные характеристики соответствуют характеристикам деятельности в реальной системе (рис. 1-7). К этому виду макетов можно отнести и тренажеры, представляющие технические средства профессиональной подготовки человека и реализующие физическую и (или) функциональную модель системы "человек —машина". Качественно новые возможности функциональных макетов открылись при применении вычислительной техники. Функциональный макет может быть использован для сравнения альтернативных вариантов или проверки выбранного проекта, а также для оценки отдельных характеристик оборудования.

На стадии разработки технического проекта в качестве его составной части выполняется эргономический проект, содержание которого сводится к окончательному эргономическому решению проектируемого объекта, основывающемуся на распределении функций в системе "человек—машина", проектировании рабочих задач и деятельности человека или группы людей. Проект включает эргономические требования к человеку (группе людей), технической системе, рабочему месту, среде. В техническом проекте также определяются окончательный для технической системы состав специалистов, их функциональные обязанности и организация работы; состав коллективных и индивидуальных средств отображения информации, органов управления, рабочих мест и пультов управления; организация рабочих мест, включая компоновку средств отображения информации, органов управления и их размещение в рабочем пространстве. Иными словами, эргономический проект определяет эргономические свойства создаваемого объекта.

На стадии подготовки рабочей документации, изготовления и испытания опытного образца осуществляются анализ и экспериментальная оценка последнего (желательно в условиях опытной эксплуатации) с целью определения степени реализации эргономических требований и предложений. В случае необходимости формулируются предложения по эргономическому совершенствованию объекта, включая и конструктивные изменения, направленные на облегчение и удобство эксплуатации и обслуживания. Эргономическая оценка как проектный акт проходит через все стадии проектирования, а оценка опытного образца подводит ее итог. Оценка проводится по выбранной или специально созданной программе и методике и включает определение эргономических критериев оценки, выявление параметров системы "человек —машина", связанных с этими критериями и подлежащих количественной оценке с помощью измерений и экспертным путем. Значения по отдельным параметрам сводятся в единую шкалу, которая дает возможность в результате всей процедуры сделать вывод об уровне эргономического качества объекта (рис. 1-8).

Не всегда одна стадия эргономического проектирования последовательно переходит в другую. Зачастую происходит движение в обратном направлении с возвращением на исходную позицию, а затем оно продолжается дальше. Рекомендуется планировать процесс эргономического проектирования с определенным опережением работ на стадиях технического проектирования, так как эргономические исследования и разработки, как правило, продолжительны и сложны в методическом и технико-исполнительском плане. Эффективной включенности в общий процесс проектирования способствуют автоматизированные системы эргономического проектирования (рис. 1-9).

Эргономическое проектирование не безразлично к тому, как осуществляется управление проектом в целом. При традиционных организационных формах и методах управления, к которым относят так называемые иерархические, функционально ориентированные формы с нечеткой ответственностью за конкретный проект, эргономическое проектирование обречено на низкую эффективность. Специализированные (функциональные) подразделения и их руководители часто неспособны организовать творческую и эффективную совместную работу и координацию с эргономическим и другими функциональными подразделениями, заказчиком и т.д. Это часто оказывается критическим для успеха эргономического проекта, да и проекта в целом. Нередко то, что представляется руководителю полезным для его подразделения, оказывается вредным для проекта или организации. Представляя одно из эффективных средств рыночной экономики, эргономика нуждается в методологии управления проектами, которая в современном виде сформировалась во второй половине XX столетия, хотя профессия управляющего проектом существует более 6000 лет, о чем говорят многие известные в истории проекты и их результаты, такие, например, как египетские пирамиды. Методология управления проектами развилась в условиях перехода от технически ориентированного стиля работы к ориентированному на рынок, а одним из отличительных признаков ее стал перенос акцента с контроля деталей выполнения проекта на контроль целей. Достижение цели деятельности является наиболее важным, так как определяет пользу от реализации проекта. "Управление проектами — это наука определения цели деятельности и организации работ группы людей так, чтобы эти цели достигались по завершению деятельности"

Управление изменениями, которые осуществляются в форме проектов технических, экономических, социальных, организационных, является наукой и искусством. Это особый вид управления, и его не следует путать с производственным управлением. Управление проектами, как правило, связано с созиданием и новаторством. Одна из важнейших его задач — наилучшее использование способностей и талантов каждого члена проектного коллектива. Для управления проектами необходим особый тип руководителя.

Управление проектами приобретает особое значение при определении соотношения целей проекта в целом и его эргономической части. Установки эргономического проектирования пока еще в большинстве случаев относятся к неявным целям проекта, которые Р.Альбонетти называет скрытыми, но реальными и иногда очень важными. Явные цели обычно указываются в таких проектных документах, как контракты.

Эргономическое проектирование наиболее чувствительно к тому, как соотносится управление проектами с культурой. Происходит это по двум принципиальным направлениям;

1, Культура через управление проектами. Проекты переводят системы в новые состояния, которые являются будущей окружающей средой и условиями жизни. Управление проектами может использоваться для создания новой или поддержки старой культуры...

2. Культура управления проектами. Проект осуществляется при помощи проектной организации, которая имеет собственную культуру. Эта культура включает в себя как среду, так и условия работы. Некоторые проекты почти полностью определяются культурой осуществляющих их организаций.

Управление проектами приобретает особую значимость, так как становится правилом совместная оптимизация техники и технологии, организации и развития квалификации работников. Совместная и одновременная оптимизация технической и социальной подсистем приводит к экономическому успеху. Анализ деятельности многих предприятий, фирм и корпораций показал, что они в той или иной степени привержены принципу: организация прежде автоматизации. Предприятия и организации на собственном опыте убеждаются: "мало толку внедрять компьютеры третьего, четвертого и пятого поколений в систему организации второго поколения".

Эргономическое проектирование не может абстрагироваться от проблемы экономической эффективности, т.е. от определения отношения между эргономическими результатами и затратами на этот результат. Выгоды от эргономических разработок и исследований могут быть связаны с повышением производительности труда и улучшением качества промышленных изделий, повышением эффективности и надежности сложных систем "человек—машина", сохранением здоровья и обеспечением безопасности, удовлетворением работой и индивидуальным развитием работающих людей. Проблема состоит в измерении этих выгод или предотвращенных потерь и их соотнесении с затратами. Деятельность проектировщика по достижению целей эргономики в условиях ограниченных ресурсов предполагает альтернативные решения и обуславливает проблему выбора. Имеется в виду нахождение разумного компромисса, не допускающего умаления целей эргономики и обеспечивающего максимально возможную экономическую эффективность.

Используют два несложных подхода к анализу экономических аспектов эргономического проектирования. Суть первого состоит в том, чтобы, выделив некоторые адекватные эргономике стоимостные подходы, подобрать такие данные, которые можно включить в стоимостные расчеты. Второй подход — это ознакомление с некоторыми экономическими расчетами и процедурами, пригодными для анализа и обоснования эргономических нововведений.

Эргономическое проектирование нуждается в маркетинге, так как оно создает продукт, в котором все больше заинтересован рынок. Осознавая это, эргономисты большое внимание уделяют маркетингу своих идей, разработок и услуг, т.е. изучению — что, кому, где, когда и как продавать. В маркетинге эргономических разработок и услуг ученые и специалисты должны достаточно обоснованно отвечать на вопросы: 1) сколько времени занимает выполнение данной разработки или услуги; 2) сколько они стоят; 3) каковы выгоды. И лучший маркетинговый инструмент эргономики — расширение сферы ее приложения, повышение профессионального уровня и сокращение времени на ее исследования и разработки. Однако этого мало. Необходима еще ответственность ученых и специалистов за эргономические свойства промышленных изделий, систем и показатели рабочей (производственной) среды, а это больше, чем просто маркетинг.

Уровни проектирования: макроэргономический, общеорганизационный, микроэргономический.

Проектирование функций, рабочих задач, типов работ, видов деятельности и взаимосвязей между человеком и техникой на основе изучения возможностей и особенностей человека, относящееся фактически к индивидуальному, групповому или, в лучшем случае, к подсистемному уровню, представляет то, что называют микроэргономикой. Макроэргономическое же исследование и проектирование систем осуществляются на общеорганизационном уровне. Оптимальность макроэргономического проекта системы приобретает очень важное значение, поскольку после ее достижения можно переходить к микроэргономическому проектированию системы "человек—машина". Нисходящий эргономический подход существенно важен, так как увязывается с проектированием структуры организации с таким расчетом, чтобы обеспечить достижение целей, стоящих перед ней. Макроэргономика включает в себя: "1) определение задач и назначения системы; 2) определение мер организационной эффективности и использование их в качестве критериев для оценки возможности альтернативных структур; 3) систематическую оптимизацию основных параметров структуры организации — сложности, формализации и централизации; 4) систематический учет влияния системных технических, психосоциальных характеристик и показателей окружающей среды на структуру организации; 5) принятие решения о типе структуры для данной организации". При макроэргономическом проектировании организации важно располагать средствами для оценки относительной эффективности различных структурных подразделений. Таковыми могут служить критерии, разработанные Дж.Кэмпбеллом. Задача эргономиста — выбрать критерии организационной эффективности и представить их в форме, соответствующей конкретной системе (например, самолетостроение, коммунальное хозяйство, очистка нефтепродуктов) и ее функциям (например, торговля, маркетинг, производство).

Своеобразие принципов и методов эргономики позволяет определять ее как особого рода технику (от греч. techne — искусство, мастерство), связанную с изучением и созданием интерфейса человек — система. "На микроуровне она включает технику интерфейса человек — машина или эргономику технических устройств; технику интерфейса человек — среда или эргономику среды и технику интерфейса пользователь — система или эргономику программного обеспечения (определяемую еще как когнитивная эргономика). В противопоставление этому на макро или общесистемном уровне мы имеем технику интерфейса организация — машина или макроэргономику".

Принципы распределения функций между человеком и машиной.

При проектировании рабочих систем важное место отводится распределению функций между человеком и машиной. Этому предшествуют:

1) анализ возможностей и ограничений как человека, так и машины при выполнении ими функций в рабочей системе;

2) выбор между человеком и машиной в отношении выполняемых функций;

3) оптимизация соотношения между функциями человека и машинными функциями.

Исходными данными для распределения функций являются назначение рабочей системы и условия ее функционирования. Нередко системы должны выполнять задачи, конкурирующие между собой. В этих случаях нахождение компромисса представляет предварительное условие распределения функций. Одни функции передаются человеку, другие — техническому средству и/или программному обеспечению, но чаще всего они выполняются ими совместно. В последнем случае функции должны быть не просто переданы одному или другому, а разделены между человеком и машиной. Требования к выполнению человеком своих функций зависят от уровня автоматизации системы. Распределение функций определяет качество не только функционирования рабочей системы, но и рабочей жизни людей. В идеале человеку должны быть отведены только те функции, выполнение которых положительно влияет на его здоровье, благополучие и безопасность, все другие должны быть переданы машине. Распределение функций признается в эргономике удовлетворительным, если рабочая нагрузка человека допустима (близка к оптимальной), а работа осмысленна, мотивирована, приносит удовлетворение.

Правила проектирования рабочих задач.

Рабочие задачи и действия человека с производственным оборудованием составляют основное содержание проектирования рабочих систем, включая и проектирование взаимосвязанной групповой деятельности. Цель анализа и проектирования задач — создание основы интеграции человека и машины в единую систему.

Всякое целесообразное действие представляет решение конкретной задачи, имеющей смысл для выполняющего его человека. Определяющими для проектирования рабочих задач служат цель и результат деятельности. От четкости формулировки цели, ее характера, степени субъективной осознанности, личной значимости зависят функциональные и эмоциональные компоненты деятельности и психофизиологического состояния работающих людей. Цель выполняемой человеком работы и ее место в структуре совместной с другими людьми деятельности задают степень ответственности за результаты труда, которая регламентируется как системой социально-экономических нормативов, так и субъективными критериями работающего. При повышенной степени личностной ответственности возможно возникновение эмоциональной напряженности, тревоги, отрицательно влияющих на деятельность и здоровье человека. Содержание цели, конкретизирующееся в системе задач, разнообразии последних, возможности выбора и смены способов действия, и мера ответственности за результат деятельности относятся к факторам, создающим предпосылки для развития личности в трудовом процессе. До тех пор, пока задача не представляет собой "вызов" работающему человеку, он не станет использовать ни своей гибкости, ни своей способности рассуждать, он не станет обучаться или брать на себя ответственность, не будет эффективно вмешиваться в функционирование рабочей системы. Мотивация, задействующая потенциальные возможности человека, должна быть заключена в самой задаче. Проектируя же рабочие системы так, чтобы человек делал как можно меньше, мы тем самым исключаем и всякий интерес к работе.

При проектировании рабочих задач и действий по их выполнению важное значение приобретает положение о том, что трудовая деятельность не сводится к совокупности чисто механических операций, что она представляет собой форму реализации и развития целого спектра способностей человека как личности. Именно такая трудовая деятельность становится объектом не только изучения, но и проектирования. Для проектирования действительно целостной деятельности необходимо выйти ..•а пределы ее пооперационного, алгоритмического, в известном смысле узкотехнологического понимания, в сферу психологии сознания и личности индивида, в сферу мотивов, отношений, интересов, эмоций, установок, в сферу совместной, кооперативно — распределенной деятельности людей.

Действие одновременно целесообразно и предметно. В действии субъект, движение и предмет смыкаются в единое психофизиологическое и психофизическое образование. Для того, чтобы стать управляемым, действие должно быть ощущаемым. Процессы построения действия и управления им основаны на двух видах чувствительности: чувствительности к ситуации и чувствительности к исполнению.

Развитие теории и практики проектирования рабочих задач позволило сформулировать ряд практических рекомендаций. Эргономически спроектированные задачи должны:

1) облегчать их выполнение;

2) способствовать сохранению здоровья и обеспечивать безопасность работающих людей;

3) создавать предпосылки для развития умений и способностей;

4) способствовать благополучию работающих людей.

При проектировании задач следует избегать:

1) чрезмерных или слишком малых рабочих нагрузок, ведущих к неоправданному или избыточному напряжению и утомлению, к ошибкам или скуке;

2) чрезмерной повторяемости в действиях человека, приводящей к монотонности, пресыщению или скуке и к неудовлетворенности работой;

3) чрезмерного подстегивания быстроты выполнения задачи;

4) работы в полном одиночестве без всякой возможности социальных контактов.

В международном стандарте определены характеристики хорошо спроектированных задач, которые должны:

♦ опираться на опыт и способности конкретных групп работающих людей;

♦ обеспечивать использование большого числа умений, способностей и разнообразия видов деятельности;

♦ предусматривать, чтобы выполняемые задачи представляли целостные единицы работы, а не ее фрагменты;

♦ гарантировать, что задачи и деятельность по их выполнению вносят существенный вклад в функционирование рабочей системы и что работающий человек это осознает;

♦ предусматривать определенную свободу выбора работающему человеку в принятии решений, темпа и способа выполнения работы;

♦ обеспечивать достаточную обратную связь на языке, понятном работающему человеку;

♦ создавать условия для развития имеющихся навыков и приобретения новых.

Эргономическое проектирование задач и деятельности человека сталкивается с проблемами принципиального характера. При проектировании рабочих систем необходимо точно различать формализуемые и неформализуемые компоненты деятельности. Это трудная задача поиска закономерностей постоянного изменения соотношения этих компонентов при создании и введении все новых и новых рабочих систем. Сложность проектирования рабочих задач и человеческой деятельности связана и с тем, что трудно и не всегда возможно прогнозировать поведение и потенциальные возможности людей, особенно в нестандартных ситуациях. Имеются и другие трудности. Однако, как заметил один ученый, пока ведутся рассуждения о сложностях проектирования задач и человеческой деятельности, инженеры и проектировщики практически его осуществляют и не всегда наилучшим образом, а часто во вред человеку и обществу.

Критерии эффективности эргономически спроектированных задач

Рекомендации по эргономическому проектированию работ.

В соответствии со стандартом "Эргономические принципы проектирования рабочих систем" проектирование работ — это организация и определение последовательности во времени и пространстве отдельных рабочих задач. В узком значении работа есть единовременная задача. В другом употреблении работа означает специфический набор задач, выполняемых человеком. В широком смысле работа — это роль человека в организации, включая продвижение по службе. Проектирование работы связано с принятием четырех основных решений:

1) какие задачи будут выполняться в рабочей системе людьми;

2) как эти задачи будут группироваться между собой и поручаться людям;

3) как люди будут связаны друг с другом для того, чтобы их работа была скоординирована;

4) как они будут вознаграждаться за их деятельность в организации.

Все эти решения должны включать требования организации производственной системы, микросоциума и совокупности индивидуальностей Эргономист принимает участие в проектировании работы, поскольку проект должен отвечать как организационным и индивидуальным, так и производственным требованиям. В содержательном отношении предметом его профессиональных интересов чаще всего являются:

1) философия и критерии проектирования работы;

2) анализ технических и организационных задач; 3) разработка не одного, а нескольких альтернативных проектов; 4) оценка потенциальной стоимости, достоинств и недостатков каждого из альтернативных проектов.

При проектировании работы принимается во внимание, что люди отличаются друг от друга уровнем образования, опытом, творческими способностями, интересами. Различаются они и по многим измерениям: росту, силе, навыкам и т.д. Кроме того, их индивидуальные трудовые действия и отношения изменяются изо дня в день в зависимости от самочувствия, настроения, контактов с другими людьми и т.д.

Сформулированы шесть критериев проектирования работы:

Критерий 1. Безопасность прежде всего. Неприемлем любой проект, подвергающий опасности жизнь работающего человека или его здоровье. На первом месте при проектировании стоит обеспечение безопасности, затем удобства деятельности и комфорт работающего человека. После этого рассматриваются и более высокие потребности человека.

Критерий 2. Машина должна быть "дружественной пользователю", приспособленной к человеку, а не наоборот. Если система функционирует не вполне хорошо,следует перепроектировать машину или процедуры, а не винить работающего человека.

Критерий 3. Необходимо сводить к минимуму в проекте разного рода исключения, создавая условия, при которых, по возможности, каждый человек мог бы использовать данную машину или выполнить процедуру. Пол, возраст, сила и т.п. не должны исключать для человека возможность участия в работе или других видах деятельности.

Критерий 4. Проектировать работу следует так, чтобы она была больше связана с интеллектуальной и социальной деятельностью. Физическую или канцелярскую работу могут выполнять машины.

Критерий 5. Создавая наилучшие условия для взаимодействия человека и машины, общения пользователя с компьютером, необходимо особое внимание уделять общению работающих людей, что позволит повысить эффективность работы и, что, возможно, еще важнее,— снизить количество ошибок.

Критерий 6. Машины следует использовать для повышения производительности труда человека.

При проектировании работы рекомендуется:

а) поручать одному работнику несколько последовательных операций, относящихся к одной и той же рабочей функции (расширение работы);

б) поручать одному работнику несколько последовательных операций, относящихся к различным рабочим функциям. Например, выполнение сборочной операции, проверка качества, устранение дефектов (обогащение работы);

в) предусматривать смену вида деятельности. Например, ротация среди работников сборочной линии или среди членов бригады, некоторой автономной группы;

г) предусматривать необходимые и возможные перерывы.

Проектирование работы наиболее эффективно, когда оно выполняется на макроэргономическом уровне.

Критерии оценки проекта рабочей системы при ее приемке и утверждении.

Приемка и утверждение рабочей системы — не то же самое, что оценка продукции. Система может быть вполне эффективной, но за счет здоровья и благополучия работающих людей. Если это так, значит она не отвечает требованиям стандарта, формулирующим эргономические принципы проектирования рабочих систем.

В соответствии с человекоориентированным проектированием рабочих систем международный стандарт устанавливает правило приемки и утверждения проектных решений людьми, которые будут работать в данной системе. Всюду, где эргономические данные должны применяться к конкретной рабочей задаче, выполняемой в системе, проектное решение должно пройти приемку

и утверждение путем испытаний,- в процессе которых представители будущего персонала работали бы в предполагаемых или реальных контролируемых условиях. При эргономическом проектировании рабочей системы "опасно предполагать, что компоненты системы можно извлекать, изучать изолированно и даже перепроектировать, а затем вновь включать в систему, не сообразуясь с возможными эффектами взаимодействия (принцип дополнительности). Следует считать, что взаимодействие всегда существует, даже если оно не установлено". Поэтому принятие проектных решений будущим ее персоналом должно осуществляться в контексте рабочей системы в целом.

В процессе приемки и утверждения рабочей системы необходимо принимать в расчет естественные отклонения, обусловленные полом или возрастом работника. Кроме того, необходимо учитывать также возможность кумулятивного эффекта с течением времени от кратковременных, но регулярно повторяющихся воздействий на человека неблагоприятных факторов (например, шума). При профессиональном применении принципов, методов и данных эргономики деятельность работающих людей оптимизируется, при этом никакого вреда для их здоровья, благополучия и безопасности не возникает. На рис. 7-31 представлены основные критерии оценки проекта рабочей системы.

Важно, чтобы работающие люди были способны добиваться производственных показателей (количество и качество продукции). Однако этот результат не должен достигаться за счет чрезмерного физического или психического напряжения. В противном случае можно совершенно обоснованно заключить, что цели системы превышают возможности людей и должны быть пересмотрены. Все три критерия оценки должны приниматься во внимание. Относительная важность каждого из них зависит от многих факторов. Четкое следование эргономическим принципам в процессе проектирования позволяет обнаружить, где и как система подводит работающих людей наиболее близко к установленным пределам, и таким образом выявить параметры, требующие наибольшего внимания при приемке и утверждении проекта. Каждый из основных критериев имеет соответствующие показатели оценки и утверждения проекта. Показатели выполнения работы могут быть наиболее однозначными: либо система достигает требуемых количества и качества, либо нет. При этом сбои системы должны быть рассмотрены со всей тщательностью. Показатели должны быть достаточно чувствительными, чтобы предусмотреть возможный сбой в системе на ранней стадии. Сбой может быть вызывай либо ошибкой человека, либо несоответствием между человеком и производственным оборудованием вследствие неправильного проектирования. Идентификация опасного поведения или регистрация действий на грани ошибки как критерий безопасности предпочтительнее использования статистики несчастных случаев. Также более жела1ельно по возможности регистрировать случаи физиологических перегрузок и даже субъективных жалоб, чем дожидаться неожиданного возникновения патологических расстройств. Важен целостный подход к процессам приемки, утверждения и реализации рабочей системы.

Самое основное отличие приемки и утверждения рабочей системы от традиционной оценки промышленных изделий и технических систем состоит в том, что она должна отвечать требованиям, определяющим качество рабочей жизни. Прямое и непосредственное отношение к приемке рабочей системы имеют требования физического окружения (безопасность, здоровье, привлекательность, комфорт) и содержание работы (разнообразие задач, обратная связь, сложность задач и их индивидуальность, определенная автономия и самоуправление, возможности использования умений и способностей, осознание вклада в создание изделия или услуги). Таким образом, эргономически спроектированная рабочая система рассматривается как одно из важных средств достижения высокого уровня качества рабочей жизни.

Учет в эргономическом проектировании требований конкретных рабочих задач и видов деятельности, а также антропологических, биомеханических, психофизиологических, психических возможностей и особенностей работающих людей.

Рабочие положения, позы и движения.

Рабочее пространство и организация рабочего места, досягаемость и величина усилий на органы управления, а также характеристики обзорности обусловливаются прежде всего положением тела работающего. С точки зрения биомеханики положение тела зависит от ориентации его в пространстве и от величины площади опоры. Наиболее распространены рабочие положения стоя и сидя, реже — лежа. Каждое из положений характеризуется определенными условиями равновесия, степенью напряжения мышц, состоянием кровеносной и дыхательной систем, расположением внутренних органов и, следовательно, расходом энергии.

Выбор рабочего положения связан с размерами пространства движений человека, величиной и характером (статическая, динамическая) рабочей нагрузки, объемом и темпом рабочих движений, требуемой степенью точности выполнения операций, особенностями предметно-пространственного окружения.

Поза — это взаиморасположение звеньев тела, независимое от его ориентации в пространстве и отношения к опоре. Термин "рабочая поза" обозначает наиболее частое и предпочтительное взаиморасположение звеньев тела при вьтолнении трудовых операций. Рабочая поза динамична. Ее изменение связано с рабочими движениями, причем поза рассматривается как пространственная граница фазы движения (начальная, граничная, конечная). Сохранение той или иной позы происходит при активном участии нервно-мышечной системы.

Особое внимание следует уделять рабочей позе и условиям ее поддержания при проектировании рабочих задач и деятельности, в выполнении которых преобладают двигательные компоненты и требуется длительное

поддержание определенной рабочей позы (табл. 7-1). При этом важно иметь в виду, что негативное воздействие оказывает не столько сама поза, сколько время, в течение которого человек в ней находится. Оптимальная рабочая поза должна служить исходным моментом при расчетах размеров досягаемости для рук и ног в пределах пространства движений человека (табл. 7-2). Неудобная поза, вызванная недостаточным пространством для ног при работе сидя, приводит к значительному снижению точности тонких ручных операций.

Правила и условия расчета параметров рабочего места и его элементов.

Параметры рабочих мест измеряются в различных положениях тела (стоя, сидя, лежа) и позах (руки вытянуты в стороны, вверх, корпус выпрямлен, наклонен вперед, откинут назад). При измерении этих признаков в качестве баз отсчета чаще всего используются ограничительные плоскости. Эргономические антропометрические признаки по способам измерений и в зависимости от сферы использования разделяются на статические и динамические. Те и другие, в свою очередь, делятся на габаритные размеры и размеры отдельных частей тела (линейные, периметровые и угловые). Линейные размеры, в свою очередь, делятся на периметровые, поперечные, переднезадние и т.п.

Статические антропометрические признаки — это размеры тела, измеренные однократно в статическом положении испытуемого. Условность и сохранение постоянства позы обеспечивают идентичность измерений. Эти признаки используются для расчета свободных (несопряженных) параметров элементов рабочих мест, для определения диапазона регулирования изменяемых параметров, конструирования манекенов, создания математических моделей тела человека. К динамическим антропометрическим признакам относятся размеры тела, изменяющие свою величину при угловых и линейных перемещениях измеряемой части тела в пространстве. Линейные изменения могут выражаться в абсолютных величинах и в виде приростов (эффект движения тела). Динамические антропометрические признаки используются для определения: амплитуды рабочих движений; величины рабочих перемещений приводных элементов органов управления; размеров зон моторного пространства.

При расчете параметров рабочего места на основе антропометрических данных необходимо учитывать: выбранную систему координат и соответствующие базы отсчета; рабочее положение работающего; возможность изменения положения тела; величину размаха рабочих движений; количество элементов рабочего места; параметры обзорности; требования ограничения рабочего пространства (кабины, площадки, отсеки и т.п.); возможность регулирования параметров элементов рабочего места; возможность подвижности элементов рабочего места (сиденья, подставки для ног, педали). 'При использовании числовых значений антропометрических признаков следует учитывать их особенности, обусловленные полом, возрастом, национальностью и другими факторами. Особое внимание нужно обращать на значительные половые различия большей части антропометрических признаков, так как многие элементы производственного оборудования предназначены одновременно и для мужчин и для женщин. Национальные различия по группам размеров несколько меньше, чем половые, но также значительны, особенно по продольным размерам в положении стоя. Исключение составляют следующие признаки: высота над сиденьем (плеча, шейной точки, нижнего угла лопатки, линии талии, локтя, бедра); спинка сиденья — колено; передняя досягаемость для руки; ширина двух колен; ширина двух стоп. Возрастные различия антропометрических признаков взрослого населения выражены нерезко. Имеется тенденция к увеличению (на 5 см) всех продольных размеров у лиц молодого возраста (20 — 29 лет) и поперечных, передне-задних и обхватных размеров у лиц старшего возраста (30 — 50 лет). При расчете параметров оборудования по высоте следует учитывать, что наибольшие половые, национальные и возрастные различия наблюдаются в продольных размерах тела в положении стоя. В положении сидя эти различия уменьшаются или вовсе исчезают. Это объясняется тем, что в первом случае в состав размеров входит длина ноги — признак сильно варьирующий, увеличившийся за последние 100 лет на 7 — 8 см. Во втором случае в состав размеров входит длина туловища — признак слабо варьирующий, мало изменившийся в процессе акселерации (всего на 1 см).

В основу общих правил использования антропометрических данных при расчете параметров рабочих мест и производственного оборудования положен метод перцентилей. Перцентиль — сотая доля измеренной совокупности людей, которой соответствует определенное значение антропометрического признака. Если площадь, ограниченную кривой распределения, или всю совокупность наблюдений разделить на 100 равных частей, то получим 99 перцентилей (Р1..... Р99) Каждый перцентиль имеет свой порядковый номер; 1-й перцентиль отсекает в распределении частоты наименьших значений антропометрического признака, составляющие 1% от суммы всех частей; 2-й перцентиль — значения, составляющие 2%, и т.д.; 50-й перцентиль в нормальном распределении соответствует средней арифметической величине. Средняя величина признака — это та, ниже которой оказывается около половины населения. Если бы размеры дверей соответствовали только средним размерам тела человека, то 50% посетителей общественных зданий разбивали бы свои лбы о притолку. Числовые значения антропометрического признака, соответствующие верхней или нижней границе выбранного объема работающих, называются пороговыми. Они являются антропологическими критериями при расчете параметров рабочих мест на основе метода перцентилей. При использовании антропометрических данных необходимо:

♦ учитывать количество регулируемых параметров производственного оборудования и рабочих мест;

♦ помнить о том, что наибольшие различия в размерах тела — индивидуальные (внутригрупповые), а затем межгрупповые (половые, национальные, возрастные);

♦ рассчитывать требуемый минимум свободного пространства для размещения тела человека или его перемещения, исходя из антропометрических данных людей, характеризующихся наибольшими продольными, поперечными и передне-задними размерами тела;

♦ рассчитывать те части рабочего пространства, которые связаны с различными видами досягаемости, на основе антропометрических данных людей, характеризующихся наименьшими продольными, поперечными и передне-задними размерами тела;

♦ помнить, что люди отличаются друг от друга не только общими размерами тела, но и соотношениями этих размеров;

♦ использовать базы отсчета, которые соотносятся с базами, взятыми при измерении размеров тела, и не требуют сложных перерасчетов;

♦ округлять цифровые значения антропометрических данных, заимствованные из таблиц, но не более чем на

1 см или 1 градус.

При использовании антропометрических данных не рекомендуется:

♦ рассчитывать параметры оборудования и рабочих мест на основе только средних арифметических значений антропометрических признаков;

♦ пользоваться антропометрическими данными 20-25-летней давности;

♦ пользоваться источниками (справочники, монографии и т.п.), в которых не указаны год сбора материала, пол, возраст и национальность контингента исследуемых, численность группы населения;

♦ использовать размеры тела, измеренные в положении стоя, при расчетах параметров рабочих мест, предназначенных для работы сидя;

♦ получать основные эргономические размеры путем сложения отдельных классических размеров;

♦ выделять основные и второстепенные антропометрические признаки; следует считать все множество антропометрических признаков одинаково необходимым, выявляя их значимость только при анализе конкретных объектов производственного оборудования.

При расчете компоновочных параметров рабочих мест на основе антропометрических данных следует различать базы отсчета, используемые при измерении эргономических признаков и расчете компоновочных параметров рабочего места. Эти базы должны совпадать или не противоречить друг другу.

При измерении многих антропометрических признаков в качестве баз отсчета используют следующие ограничительные плоскости:

1) в положении стоя: плоскость пола (горизонтальная плоскость для измерения высот точек над полом); стенку стенда (вертикальная плоскость для измерения передне-задних и поперечных размеров тела);

2) в положении сидя: плоскость пола; плоскость сиденья; спинку сиденья, перпендикулярную заднему краю сиденья (рис. 7-5).

Расчеты и измерения компоновочных параметров рабочих мест следует проводить в ортогональной системе координат с внешней относительно тела человека базой отсчета. Преимущество этой системы по сравнению с внутренней (на теле человека) — в отсутствии погрешностей в установлении нулевой точки отсчета (пол, край оборудования, воображаемые линии, плоскости и т.п.), так как она фиксирована неподвижно. Имеется лишь погрешность при нахождении конечной точки

Понятие рабочей поверхности.

Рабочая поверхность — это элемент оборудования рабочего места, на которой работающий, используя необходимые средства, выполняет действия с предметом деятельности. Характеристики рабочей поверхности определяются спецификой деятельности, положением тела, антропометрическими данными, числом и размерами предметов и средств деятельности. Для рабочих поверхностей рассчитывают: габаритные размеры; максимальные и минимальные границы досягаемости по высоте, ширине, глубине; размеры пространства для ног (сидя) и стоп (стоя); размеры подходов к каждой из них, а также требуемую обзорность. Для оптимальной организации рабочего места необходимо учитывать размеры соотношения параметров рабочей поверхности и параметров других элементов рабочего места, из которых наиболее существенны: соотношение по высоте между рабочей и опорной поверхностями при работе стоя и сидя (сиденье, подставка для ног, пол); расстояние между передним краем сиденья и краем рабочей поверхности; соотношение по ширине между рабочей поверхностью и подставкой для ног. Высота рабочей поверхности определяется антропометрическими данными работающего, характером выполняемой работы, степенью ее тяжести и требуемой точностью. Человек может субъективно различать изменение высоты и угла наклона рабочей поверхности, сиденья и подставки для ног соответственно на 1 см и 1 градус. При нерегулируемой по высоте рабочей поверхности для работы стоя необходима подставка, регулируемая по высоте, с целью обеспечения каждому работающему удобства на рабочем месте. В этом случае высота рабочей поверхности рассчитывается на самого высокого рабочего, диапазон регулирования высоты подставки для ног равен разнице в росте самого высокого и самого низкого человека в группе работающих. Если часть тела работающего соприкасается с рабочей поверхностью, то рекомендуется использовать материалы, обладающие низкой теплопроводностью. Покрытие рабочей поверхности должно обеспечивать оптимальный цветовой и яркостный контраст с предметом труда и не давать бликов.

Рабочее сиденье. Эргономические требования к рабочему сиденью.

Рабочее сиденье — это элемент рабочего места, который обеспечивает поддержание рабочей позы в положении сидя. Основное назначение сиденья — не только снизить нагрузку на ноги человека, но и создать опору сидящему, чтобы он мог поддерживать стабильную позу во время работы и расслабить те мышцы, которые не участвуют в работе При выборе типа рабочего сиденья учитываются специфика работы, объем рабочего пространства, пространственные соотношения с другими элементами рабочего места, вид рабочего места, возможность смены рабочих поз, рабочего положения, величина развиваемых усилий, диапазон движений частей тела, наличие вибрации, условия безопасности. Рабочие сиденья должны удовлетворять следующим требованиям:

♦ обеспечивать такое положение тела, при котором нагрузка на мышцы будет оптимальной;

♦ создавать условия для изменения рабочей позы с целью снятия статического напряжения мышц спины и предупреждения общего утомления;

♦ способствовать нормальному функционированию сердечно-сосудистой, дыхательной и пищеварительной систем;

♦ обеспечивать удобство усаживания и вставания; свободное перемещение; корпуса и конечностей относительно друг друга в процессе работы;

♦ создавать надежную опору позвоночнику и тазу и сохранять их естественное выпрямленное положение;

♦ свободно перемещаться относительно рабочей поверхности, а также фиксироваться при обширной зоне вращения;

♦ иметь регулируемые параметры.

Конструируя рабочее сиденье, следует соблюдать следующие условия распределения давления при сидении:

1) давление на область седалищных бугров должно быть снижено слабым профилированием поверхности сиденья в области расположения ягодиц;

2) спинка должна быть профилирована, чтобы обеспечить поддержку для поясничного отдела позвоночника;

3) давление на заднюю поверхность бедер должно быть сведено к минимуму;

4) угол между сиденьем и спинкой должен составлять 95—105 градусов, что также способствует оптимизации распределения давлений;

5) обивка и покрытие сиденья и спинки должны быть достаточно эластичны, чтобы принимать на себя локальные давления тела;

6) поверхность сиденья не должна сдавливать и ограничивать область расположения больших бугров бедренной кости;

7) поверхность сиденья и спинки должны иметь размеры, удовлетворяющие размерам тела человека от 5-го до 95-го перцентиля взрослого населения

Правила эргономического проектирования рабочего инструмента.

Конструкция инструмента должна быть ориентирована на создание функционального единства с рукой как по форме управляющей части (грифов, рукояток, пусковых кнопок, курков), так и по направлению приложения усилий . Форма захватных частей должна быть удобной, изготовленной из прочного материала, обладающего низкой теплопроводностью. При длительной работе инструмент не должен вызывать отрицательных ощущений (боль, термический дисбаланс и др.), мозолей, деформации и искривления пальцев и т.п. Его конструкция должна быть простой и безопасной в обращении, ремонтопригодной, соответствовать биомеханическим свойствам двигательного аппарата человека и эстетическим запросам работника, быть технологичной и экономичной в изготовлении, предусматривать, возможность удобного хранения и транспортирования. Форма захватной части инструмента должна соответствовать морфологической структуре кисти. Давление на кисть руки в процессе работы должно равномерно распределяться по возможно большей площади соприкосновения с рукой. Нельзя придавать захватным частям узкоспециализированную форму по отношению к способу удержания инструмента; необходимо предусматривать возможность небольшого варьирования расположения захватной части в руке, перераспределяя нагрузки между мышцами пальцев и кисти; следует учитывать, что часть работающих (6—7%) может быть левшами. Рукоятка инструментов должна иметь форму, которая не требовала бы чрезмерно большого усилия при ее сжимании рукой, не принуждала бы руку к одному и тому же положению, не увеличивала бы статического напряжения. Управляющая часть рабочего инструмента должна быть безопасной, изготовлена из гигиеничного и прочного материала, который не бьется на осколки и имеет небольшую теплопроводность. Допустимо незначительное рифление поверхности для уменьшения скольжения пальцев. Следует избегать декоративных покрытий, увеличивающих скольжение. Функцию управления инструментом (включение электромотора, переключение скоростей и т.п.) целесообразно сосредоточивать на одной руке, а функцию выбора зоны действий инструмента и его поддержания в пределах зоны — на другой. Конструкция инструмента должна предотвращать перегрузки мышц пальцев, кисти и предплечья, способствовать развитию навыков мастерства обращения с инструментом. Управляющая часть инструмента по форме и размеру должна соответствовать форме и размерам руки основного контингента работающих, для которых инструмент проектируется. При проектировании управляющих частей инструмента необходимо учитывать:

♦ способ удержания инструмента в руке (двумя, тремя пальцами или всей кистью);

♦ величину усилий; направление приложения усилий (вращение, надавливание, вытягивание и т.п.);

♦ вид выполняемой работы, ее точность, затраты механической энергии и другие характеристики;

♦ высоту рабочей зоны или зоны для манипулирования с предметом труда;

♦ основное рабочее положение тела и положение рук в процессе работы;

♦ размеры инструмента, его вес; материал для изготовления рабочей и управляющей частей инструмента;

♦ неблагоприятные факторы, создаваемые преобразующей частью инструмента (электромагнитное излучение, вибрация, шум, перегрев, ударные воздействия и ДР

Понятие интерфейса. Средства отображения информации.

Интерфейс (стык, устройство сопряжения) обеспечивает взаимодействие человека с техническими средствами при приеме и оценке информации, информационной подготовке и принятии решений, исполнительных действиях и коммуникации. Основные компоненты — это средства отображения информации (СОИ) и органы управления.

Средства отображения информации (приборы, экраны, мнемосхемы, табло и т.п.) предназначены для предъявления работающему человеку данных, характеризующих объект управления, ход технологического процесса, энергетические ресурсы, состояние средств автоматизации, каналов связи и пр. Эти данные предъявляются человеку в количественной и качественной форме.

Органы управления (кнопки, клавиши, рычажные и поворотные переключатели, маховики, педали и т.п.) предназначены для передачи управляющих воздействий от работающего человека к производственному оборудованию и играют роль связующего звена между ними. С их помощью осуществляются ввод информации, ее вызов на СОИ, приведение в действие исполнительных органов объекта управления (подгонка резца, подъем ковша экскаватора и т.п.). В тех рабочих системах, в которых операторы управляют машинами, используя СОИ в качестве основного источника информации, они действуют с информационными моделями. Будучи средством деятельности операторов, информационные модели нередко становятся и ее предметом.

Органы управления.

Проектирование и выбор органов управления зависят от следующих факторов:

♦ структуры и особенностей деятельности оператора как при нормальной работе систем, так и при их отказе;

♦ антропометрических, психофизиологических характеристик человека;

♦ управляющих действий, которые должен производить оператор (включение, переключение, регулирование);

♦ рабочего положения тела человека; динамических характеристик рабочих движений (усилия, точность, диапазон, траектория и т.д.);

♦ технических характеристик объекта управления; информации, на которую должен отвечать человек или которую должен вводить в машину;

♦ места расположения органа управления (на панелях пульта или вне его);

♦ характеристик рабочей среды (освещенность, вибрация, помехи и т.д.);

♦ наличия или отсутствия спецодежды и средств индивидуальной защиты.

Орган управления состоит из приводного элемента и исполнительной части. Размеры и форма приводного элемента рассчитываются в соответствии с размерами и формой тех частей тела человека, с которыми он соприкасается. Различают ручные и ножные органы управления. Предпочтение следует отдавать ручным органам, поскольку руками можно управлять множеством органов различного типа, а для каждой ноги могут быть предназначены не более двух. Ручные органы управления рекомендуется использовать тогда, когда важны точность установки органа управления в определенное положение, скорость манипулирования, а также когда нет необходимости в непрерывном или продолжительном приложении усилий в 90 Н и более. Усилия, прилагаемые к органам управления, не должны превышать допустимые динамические и (или) статические нагрузки на двигательный аппарат человека. Размещение органов управления на рабочем месте. При размещении органов управления следует учитывать:

♦ структуру деятельности человека; требования к частоте и точности движений; требования к величине прилагаемых усилий; положение тела и условия формирования рабочей позы; размеры моторного пространства; условия сенсорного контроля, поиска и различения органов управления;

♦ условия идентификации функций органов управления; опасность неумышленного изменения функционального положения органов управления.

Требования к размещению органов управления касаются их размещения на рабочем месте относительно работающего, группирования и взаимного расположения на панели, относительно СОИ или управляемых объектов.

Правила построения информационных моделей.

Информационная модель есть организованная по определенным правилам совокупность информации о состоянии и функционировании объекта управления и внешней среды. Она является для оператора своеобразным имитатором существенно важных для управления свойств реальных объектов, т.е. тем источником информации, на основе которого он формирует образ реальной обстановки, производит анализ и оценку сложившейся ситуации, планирует управляющие воздействия, принимает решения, обеспечивающие эффективную работу системы, а также оценивает результаты их реализации. Другими словами, оператор имеет дело не с объектом как таковым, а с его знаковым представлением. При любых видах работы с информацией всегда идет речь о ее представлении в виде определенных символических структур. Формирование представления информации — это ее кодирование.

Концептуальная модель — это совокупность представлений оператора о рабочих задачах, состоянии и функционировании рабочей системы и собственных способах управляющих воздействий на них. Образы и представления, составляющие содержание концептуальной модели, не являются только отражением реальности. Они играют роль обобщенных схем деятельности, сформированных в процессе обучения и тренировок. Концептуальная модель характеризуется огромной информационной избыточностью, но актуализируются и осознаются в тот или иной момент лишь образы и схемы деятельности, связанные с непосредственно решаемой задачей. При создании информационных моделей, необходимо руководствоваться следующими эргономическими требованиями:

♦ по содержанию информационные модели должны адекватно отображать объекты управления, внешнюю среду и состояние самой системы управления;

♦ по количеству информации они должны обеспечивать оптимальный информационный баланс и не приводить к таким нежелательным явлениям, как дефицит или избыток информации;

♦ по форме и композиции они должны соответствовать задачам трудового процесса и возможностям человека по приему, анализу, оценке информации и осуществлению управляющих воздействий.

Учет этих требований в процессе проектирования информационных моделей позволяет оператору выполнять возложенные на него функции с необходимой оперативностью и точностью, предотвращает появление ошибочных действий, обеспечивает эффективное функционирование системы "человек—машина". Опыт разработки и использования информационных моделей, а также анализ деятельности операторов с ними позволяют сформулировать ряд важнейших характеристик информационных моделей.

Отображение существенной информации и проблемной ситуации. В информационной модели должны быть представлены лишь основные свойства, отношения, связи управляемых объектов. В этом смысле модель воспроизводит действительность в упрощенном виде и всегда является некоторой ее схематизацией. Степень и характер упрощения и схематизации могут быть определены на основе анализа задач систем "человек — машина". При возникновении проблемной ситуации в управлении ее восприятие облегчается, если в информационной модели предусмотрено отображение:

♦ изменений свойств элементов ситуации, которые происходят при их взаимодействии. В этом случае измене

ния свойств отдельных элементов воспринимаются не изолированно, а в контексте ситуации в целом;

♦ динамических отношений управляемых объектов, при этом связи и взаимодействия информационной модели должны отображаться в развитии. Допустимо и даже полезно утрирование или усиление отображения тенденций развития элементов ситуации, их связей или ситуации в целом;

♦ конфликтных отношений, в которые вступают элементы ситуации.

Этапы построения информационной модели.

Порядок построения информационной модели, как правило, следующий:

1) определение задач системы и очередности их решения;

2) определение источников информации, методов решения задач, времени, необходимого на их решение, а также требуемой точности;

3) составление перечня типов объектов управления, определение их количества и параметров работы системы;

4) составление перечня признаков объектов управления разных типов;

5) распределение объектов и признаков по степени важности, выбор критичных объектов и признаков, учет которых необходим в первую очередь;

6) выбор системы и способов кодирования объектов управления, их состояний и признаков;

7) разработка общей композиции информационных моделей;

8) определение перечня исполнительных действий операторов, осуществляемых в процессе решения задачи и после принятия решения;

9) создание макета, моделирующего возможную ситуацию, проверка эффективности избранных вариантов информационных моделей и систем кодирования информации. Критерием эффективности служат время, точность и напряженность работы оператора;

10) определение изменений по результатам экспериментов с композицией информационных моделей и систем кодирования, проверка эффективности каждого нового варианта на макете;

11) определение на макете уровня профессиональной подготовки операторов и его соответствия заданному;

12) составление инструкций работы операторов в системе управления.

Предложенный порядок построения информационных моделей намечен лишь в общем виде. Он может меняться в зависимости от специфики тех или иных систем управления и функций операторов.

Кодирование информации.

Под кодированием информации понимают операцию отождествления условных знаков (символов, сигналов) с тем или иным видом информации. Оптимальность кода предполагает обеспечение максимальной скорости и надежности приема и переработки информации человеком, т.е. максимальной эффективности выполнения операций зрительного поиска, обнаружения, различения, идентификации и опознания сигналов.

Существует ряд относительно независимых параметров, по которым должны строиться и оцениваться алфавиты кодовых сигналов: модальность сигнала; вид алфавита (категория кода); длина алфавита (основание кода); мерность кода; мера абстрактности кода; компоновка кодового знака и группы. Выбор модальности сигналов, вида алфавита и его длины, способа предъявления знаков и т.п. — все эти вопросы могут быть решены только при компромиссном соглашении, поскольку часто улучшение параметров кодов в одной задаче приводит к снижению эффективности решения другой.

Выбор модальности сигнала. Модальность (от лат. modus — способ) — одно из основных свойств ощущений, их качественная характеристика. Понятие модальности относится и ко многим другим психическим процессам. В системах управления информация, передаваемая оператору, воспринимается преимущественно зрительной системой. Нередко возникает необходимость перераспределения потоков информации, передаваемой человеку, между различными воспринимающими системами с целью снятия перегрузки со зрительной системы оператора. Вибротактильная форма предъявления информации представляет дополнительный источник информации о характере движущегося объекта управления (автомобиля, самолета, судна, железнодорожного состава и т.д.). Ее используют при кодировании органов управления разной формы, при дублировании зрительной и слуховой форм предъявления информации.

Определение меры абстрактности кода. Существуют два варианта: абстрактный код, не связанный с содержанием сообщения, и конкретный код, в определенной мере связанный с содержанием сообщения. В соответствии с мерой абстрактности кода выделяют абстрактные, схематические, иконические и пиктографические типы знаков. Конкретность, наглядность опознавательных признаков знака ускоряют процесс декодирования, поскольку в этом случае процессы различения, опознания и декодирования осуществляются одновременно. Вопрос о мере абстрактности имеет наибольшее значение для категории формы.

Кодирование сложного сообщения. Кодирование сложного сообщения включает три этапа: подбор оптимального алфавита или алфавитов, которыми кодируются отдельные элементы сообщения; установление оптимального соотношения между различными алфавитами в пределах одного сообщения; нахождение оптимальной логической структуры закодированного сообщения. Один из наиболее распространенных способов кодирования сложного сообщения — формулярный, т.е. объединение букв, цифр и условных знаков в компактные.

Кодирование формой и размером.

Кодирование формой. Легко различаются и распознаются простые геометрические фигуры, состоящие из небольшого количества элементов. Фигуры, составленные из прямых линий, различаются лучше, чем фигуры, имеющие кривизну и много углов. На этом основании треугольники и прямоугольники выделяются как формы, более легкие для восприятия, чем крути и многоугольники. При выборе между контурными и силуэтными знаками предпочтение следует отдавать последним

Кодирование размером. При использовании размера в качестве кодовой категории следует соотносить площадь знака с какой-либо характеристикой объекта, например с его размером, удаленностью и т.п. При трех градациях размеров фигур существует тенденция к переоценке наименьшего и к недооценке наибольшего размера, иначе говоря, к стягиванию крайних размеров фигур к среднему. При увеличении длины алфавита до четырех размеров отмечаются большие трудности в дифференцировании средних размеров по сравнению с крайними. При использовании более пяти градаций признака число ошибок опознания резко возрастает.

Буквенно-цифровое кодирование.

Выбор вида алфавита. Различные качественные и количественные характеристики управляемых объектов кодируются разными способами: условными знаками, буквами, цифрами, цветом, яркостью и т.п. Каждый способ кодирования называется видом алфавита, или категорией кодирования. Установлено, что при решении оператором различных задач проявляются преимущества тех или иных видов алфавитов. Поскольку различные признаки сигнала обеспечивают различную эффективность выполнения операций опознания, декодирования, поиска и т.п., алфавит выбирают с учетом стоящих перед оператором задач. Буквы используются для передачи информации о названии объекта, цифры — о его количественных характеристиках, цвет — о значимости. Геометрические фигуры могут быть использованы для кодирования информации в тех случаях, когда оператору необходима наглядная картина для быстрой переработки информации. Для решения задач опознания наиболее эффективны категории цвета и формы. В задачах зрительного поиска преимущество имеет цветовое кодирование. Самое меньшее время поиска объектов — по цвету, а самое большее — по яркости и размеру. При использовании в качестве кодовых категорий формы, размера, цвета и пространственной ориентации фигур наибольшую эффективность выполнения операций идентификации, опознания и поиска обеспечивают категории цвета и формы, наименьшую точность имеет идентификация по размеру. Объединение в одном алфавите двух его видов — знакового и цифрового — приводит к существенному возрастанию скорости работы вследствие увеличения объема оперативного поля зрения.

Определение основания кода. Общий диапазон абсолютно различаемых градаций одномерного сигнала колеблется от 4 до 16 в зависимости от качества используемого признака. Допустимая длина алфавита должна определяться экспериментальным путем для каждого вида алфавита.

Выбор мерности кода. Наиболее целесообразным способом увеличения длины кодового алфавита является многомерное кодирование, т.е. увеличение числа значимых и меняющихся параметров сигнала. При использовании многомерных сигналов необходимо определять оптимальное соотношение числа переменных параметров сигнала и числа градаций каждого из параметров. Количество передаваемой информации различно для разных параметров многомерного сигнала. При построении многомерных алфавитов следует учитывать преимущества того или иного вида алфавита в решении различных задач.

Средства отображения информации: стрелочные индикаторы, счетчики, индикаторы с подсветом, печатающие устройства, графопостроители, знаковые светящиеся индикаторы, звуковые сигнализаторы.

Стрелочные индикаторы – обычно используются при считывании количественных и качественных показателей, поверочном (контрольном) чтении, сравнении показателей. Существует два типа стрелочных индикаторов:

· с движущейся стрелкой и неподвижной шкалой;

· с движущейся шкалой и неподвижной стрелкой.

В зависимости от характера поставленных задач могут использоваться стрелочные индикаторы двух разновидностей: либо с рукоятками управления, либо без них. Стрелочные индикаторы с рукоятками управления применяют для установки заданной величины параметра или для восстановления положения стрелки при ее отклонении от заданной величины. Лучшим типом индикатора в этом случае является индикатор с движущейся стрелкой и неподвижной шкалой. Точность и скорость считывания показаний со шкалы прибора зависят от ее вида, формы, размера, расстояния наблюдения, интервала между отметками. По точности считывания информации предпочтение отдается индикаторам с круглой шкалой, на втором месте – полукруглая шкала, на третьем – прямолинейная горизонтальная, на четвертом – прямолинейная вертикальная (за исключением приборов для контроля глубины, высоты, температуры – ассоциации мышления). Шкалы приборов градуируют штриховыми отметками, которые подразделяют на главные, средние и мелкие. Точность считывания зависит от размеров отметок и расстояния между ними. Оптимальная длина интервала между главными отметками 12,5 – 18 мм при дистанции наблюдения 750 мм. Увеличение числа мелких отметок приводит к снижению скорости и точности считывания. Между цветом фона шкалы и цветом делений и надписей нужно сохранять максимальную контрастность, причем контраст должен быть прямым.

Цифры (или какой-либо другой код) наносятся у основания главных отметок с наружной стороны шкалы. Точность считывания цифр зависит от их высоты, формата, толщины обводки, расстояния между соседними цифрами. Важное значение при считывании показаний со шкал имеет форма и расположение стрелок и указателей. Наибольшее преимущество перед остальными имеет клиновидная стрелка. Толщина ее острия должна быть не более ширины самой малой отметки шкалы, кончик стрелки не должен касаться отметок шкалы (расстояние между отметками и стрелкой от 0,4 до 1,6 мм). Стрелка должна быть того же цвета что и отметки шкалы и находиться как можно ближе к плоскости циферблата, чтобы свести к минимуму параллакс.

При конструировании и размещении стрелочных индикаторов необходимо учитывать следующие требования:

1. Стрелочные индикаторы на панели следует устанавливать в плоскости, перпендикулярной линии взора.

2. Градуировка шкал не должна быть более мелкой, чем того требует точность самого прибора.

3. Для шкал, установленных на одной панели, необходимо выбирать одинаковую систему делений и одинаковые цифры.

4. При одновременном контрольном считывании с нескольких приборов стрелки устанавливаются так, чтобы они при нормальной работе имели одинаковое направление.

5. Для облегчения контрольного считывания рабочие и перегрузочные диапазоны следует выделять цветом.

6. Необходимо, чтобы фон шкалы был матовым, а на стенках прибора не наблюдалось бликов.

7. Фон шкалы не должен быть темнее панели, в то время как каркас шкалы может быть темнее.

8. Освещение шкалы должно быть равномерным, а степень освещенности должна регулироваться.

Счетчики – используются для получения количественных данных, когда требуется быстрая и точная индикация.

Счетчики следует ставить как можно ближе к поверхности панели, чтобы свести к минимуму параллакс и тени, обеспечить максимальный угол видения. При последовательном считывании цифры должны следовать друг за другом, но не чаще двух за 1 секунду. Показания счетчиков по завершении работы оборудования должны сбрасываться автоматически, однако, необходимо предусматривать и возможность ручного сброса.

Целесообразен высокий цветовой контраст цифр и фона. Блескость должна быть сведена к минимуму.

Индикаторы с подсветом – применяются для отображения качественной информации, когда требуется немедленная реакция оператора. Имеется два основных типа индикаторов с подсветом:

· подсвечиваемые панели с одной или несколькими надписями;

· простые индикаторные (или сигнальные) лампочки.

Если индикаторы предназначаются для использования в условиях различной освещенности, в них следует предусмотреть регулировку яркости. Пределы регулировки яркости должны обеспечивать хорошую различимость информации, отображаемой на индикаторе, при всех предполагаемых условиях освещенности. Индикаторы не должны казаться светящимися, когда они не светятся, и восприниматься погасшими, когда светятся.

Для индикаторов на лампах накаливания рекомендуется либо использовать лампы с резервными нитями накаливания, либо сдвоенные лампы, чтобы в случае отказа одной нити лампы сила подсвета уменьшалась, но не настолько, чтобы оператор не мог работать. Индикаторные цепи проектируются так, чтобы лампы можно было снимать и заменять, не отключая электропитания, не вызывая опасности повреждения компонентов индикаторной цепи и не подвергая опасности обслуживающий персонал. Индикаторы, содержащие информацию о критических ситуациях необходимо располагать в зонах оптимальной видимости. Индикаторные лампы, которые используются редко или исключительно для целей технического обслуживания и регулировки, должны быть закрыты или невидимы при эксплуатации системы, но легко досягаемы. Расстояние между соседними лампами должно быть достаточным для однозначного их распознавания, правильной интерпретации индуцируемой информации и удобной замены.

Печатающие устройства (самописцы) – обеспечивают простое и быстрое получение информации в виде печатных материалов. Должна быть предусмотрена надежная индикация расхода носителя.

Графопостроители – используются для записи непрерывных графических данных. Вычерчиваемые штрихи не должны закрываться элементами конструкции графопостроителя. Контраст между изображением и фоном не должен быть менее 50% (отличие по яркости не менее чем в два раза).

Знаковые светящиеся индикаторы – предназначены для вывода смысловой буквенно-цифровой (символьной) информации с электронных вычислительных устройств (аналоговых, цифровых вычислительных машин, преобразователей, бортовых вычислителей и т.п.). В настоящее время широко применяются электронно-лучевые трубки и жидкокристаллические экраны.

Сигнализаторы звуковые – предназначены для привлечения внимания оператора. К ним относятся неречевые сообщения – источники звука, используемые на рабочем месте для подачи аварийных, предупреждающих и уведомляющих сигналов в тех случаях, когда:

· сообщение одномерное и короткое;

· требует немедленных действий;

· место приема информации слишком освещено или затемнено;

· зрительная система оператора перегружена.

Конструкция звуковых сигнализаторов должна исключать возможность создания ложной тревоги. Устройство для звуковой сигнализации и его электрические цепи должны быть сконструированы так, чтобы тревожный сигнал сохранялся при отказе системы или оборудования. В звуковых сигнализаторах при наличии ручного отключения должен быть обеспечен автоматический возврат схемы в исходное положение для получения очередного управляющего сигнала. Предупреждающие и аварийные сигналы должны быть прерывистыми. Уровень звукового давления сигналов на рабочем месте должен быть в пределах от 30 до 100 дБ на частоте 200 – 5000 Гц. Длительность отдельных сигналов и интервалов между ними должна быть не менее 0,2 с. Длительность звучания интенсивных звуковых сигналов не должна превышать 10 с. При маскировке шумом необходимо обеспечивать превышение порога маскировки звуковых сигналов от 10 до 16 дБ, предельно допустимые уровни звукового давления сигналов должны быть от 110 до 120 дБ на частоте 200 – 10000 Гц. Уровень звукового давления аварийных сигналов должен быть не выше 100 дБ на частоте 800 – 2000 Гц при длительности интервалов между сигналами 0,2 – 0,8 с, предупреждающих – не выше 80 – 90 дБ на частоте 200 – 600 Гц при длительности сигналов и интервалов между ними 1 – 3 с, а уведомляющих – не менее чем на 5% ниже по отношению к уровню звукового давления аварийных сигналов

Условия проектирования органов управления и контроля.

С помощью органов управления оператор СЧМ решает задачу ввода командной информации, установления необходимого режима работы, регулирование различных параметров, запроса информации для контроля и тому подобное. Проектирование органов управления должно обеспечить человеку-оператору возможность быстрого нахождения конкретного органа управления и выполнения с определенной точностью и в определенное время нужных действий. При этом следует учитывать конструктивные и технические ограничения (площадь рабочих помещений, факторы внешней среды, технологические особенности и т.д.). Характер задач, которые решает оператор, требует разработки конкретных органов управления, которые делятся на определенные группы: • по характеру движений, совершаемых человеком: 1) органы управления, которые требуют выполнения движений включения, выключения и переключения; 2) органы управления, которые предусматривают повторные движения типа вращательных, нажимных и ударных; 3) органы управления, которые требуют дозированных, точных движений для налаживания аппаратуры и установление режимов работы; • по назначению и характеру использования оператором органы управления являются: 1) оперативные - для постоянного использования; 2) вспомогательные - для периодического включения, выключения и контроля; 3) эпизодические, связанные с регулированием, настройкой, калибровкой аппаратуры, проведением регламентных работ. По конструкционным исполнением органы управления можем разделить на подгруппы: кнопки, тумблеры, рукоятки, маховики, педали и т.д. Быстрое нахождение необходимого органа управления требует их различения (визуально или на ощупь), которое зависит от: • формы органов управления; • размера органов управления, что обеспечивает их различения на ощупь с точностью 99%; • цвета (при обеспечении контрастности); • графических обозначений состояния, движения, назначение; • размещение органов управления в различных зонах досягаемости с учетом принципа экономии движений. Выбор органа осуществляется в соответствии с конкретными условиями его использования. К факторам, которые влияют на выбор органа управления, относятся температурные условия, наличие вибрации, ускорения, невесомости, специальный вид одежды, положение тела, условия освещения.

Правила размещения органов управления на рабочем месте.

Эргономические требования к размещению органов управления при выполнении работ сидя в горизонтальной плоскости

— Очень часто используемые и наиболее важные органы управления должны быть расположены в зоне

— Часто используемые и менее важные органы управления не допускается располагать за пределами зоны

— Редко используемые органы управления не допускается располагать за пределами зоны

Эргономические требования к размещению органов управления при выполнении работ сидя в вертикальной плоскости

— При размещении органов управления в вертикальной плоскости следует руководствоваться вышеприведенными данными высоты рабочей поверхности

— Выше 1100 мм органы управления допускается размещать в случае, если по техническим причинам расположить их до указанного уровня невозможно. Такие органы управления должны использоваться редко

Эргономические требования к размещению органов управления при выполнении работ стоя при размещении органов управления следует руководствоваться вышеприведенными данными высоты рабочей поверхности

— Очень часто используемые и наиболее важные органы управления должны быть расположены в зоне

— Часто используемые и менее важные органы управления не допускается располагать за пределами зоны, а при тяжелой работе – выше 1000 мм от площадки, на которой стоит рабочий

— Редко используемые органы управления не допускается располагать за пределами зоны

— Органы управления, используемые до 5 раз в смену, допускается располагать за пределами зоны досягаемости моторного поля

При работе двумя руками органы управления размещают с таким расчетом, чтобы не происходило перекрещивания рук. Операции, не требующие точности и быстроты выполнения, можно «доверить» ножным органам управления. Аварийные органы управления следует располагать в пределах зоны досягаемости моторного поля. Чтобы исключить возможность их самопроизвольного включения, необходимо предусмотреть специальные блокировки и выключатели. Важный элемент рабочего места – средства отображения информации, то есть табло, часы, дисплеи, мониторы и т.д. К их расположению также предъявляются конкретные требования. Если средства отображения информации, требующие точного и быстрого считывания показаний, используются очень часто, их располагают по вертикали под углом ±15° от линии взгляда и по горизонтали под углом ±15° от сагиттальной плоскости («сагиттальная плоскость» (от лат. sagitta – стрела) – термин, применяемый в анатомии животных и человека для обозначения плоскости, идущей через тело в переднезаднем направлении). Если они требуют менее быстрого и точного чтения показаний и используются часто, допустимо расположить их под углом ±30°. Редко используемые средства отображения информации помещают под углом ±60°. Именно эти общие принципы сформулированы в правилах по охране труда, а также санитарных правилах и нормах. Если этого требует сфера деятельности, они могут быть конкретизированы и дополнены. Например, сейчас большое значение приобрели эргономические правила по использованию компьютера. Они подробно описаны в ГОСТе «Эргономические требования при выполнении офисных работ с использованием видеодисплейных терминалов».

Группирование органов управления.

Независимо от типа органы управления должны быть логически сгруппированы в определенную пространственную структуру с учетом:

♦ функционального назначения (принадлежность к одному комплексу оборудования, системе, агрегату, функциональному узлу);

♦ последовательности использования в зависимости от алгоритма деятельности оператора;

♦ времени использования (в период функционирования системы или ее подготовки к эксплуатации);

♦ характера режима работы системы; значимости органа управления для работы системы.

При затруднении с реализацией этих требований предпочтение следует отдавать принципу группирования по функциональному назначению системы. Нельзя располагать рядом органы управления, используемые при нормальной работе и в аварийных ситуациях. Одинаковые типы органов управления следует располагать так, чтобы они обеспечивали один и тот же эффект управления, если совпадает направление их манипулирования (исключением являются ручные и ножные тормоза на транспортных средствах). Если объект управления включается или выключается при помощи двух кнопок, то пусковую следует помещать выше кнопки выключения или справа от нее. Органы управления одинаковыми системами должны располагаться на пульте в соответствии с реальным расположением этих систем или объектов по отношению к его осям симметрии. Например, для объектов управления, расположенных справа от оператора, соответствующие им органы управления должны располагаться на пульте справа от сагиттальной оси симметрии. При определении расстояния между приводными элементами во внимание принимаются одновременность или последовательность использования органов управления, способ захвата приводного элемента, его размеры, направление его перемещения, необходимость работы вслепую, возможность случайного включения, наличие спецодежды и спецобуви, наличие вибрации, степень подвижности рабочего места. При последовательном использовании органов управления их следует располагать по горизонтали слева направо или сверху вниз, а в пределах ряда — сверху вниз и слева направо и как можно ближе друг к другу. При манипулировании органами управления вслепую расстояние между смежными краями приводных элементов должно быть не менее 150 — 300 мм, в зависимости от зоны расположения органа управления. При работе с органами управления в перчатках это расстояние должно быть увеличено. При манипулировании органами управления вслепую расстояние между смежными краями приводных элементов должно быть не менее 150 — 300 мм, в зависимости от зоны расположения органа управления. При работе с органами управления в перчатках это расстояние должно быть увеличено. Ручные органы управления следует размещать так, чтобы ни приводной элемент, ни рука работающего не закрывали расположенных рядом СОИ. Перемещение органа управления при выполнении рабочих операций должно быть простым, легким, удобным и обеспечивать максимальную эффективность воздействия. Величина перемещения должна быть оптимальной и согласована с требованием точности.

При проектировании органов управления должен соблюдаться принцип совместимости двигательной реакции операторов и показаний индикаторов, согласно которому показания индикатора должны вызывать естественные (ожидаемые) движения, соответствующие стереотипам двигательных реакций человека (см. табл.). Направление перемещения органа управления по возможности должно быть мнемонически согласовано с воздействием, оказываемым на систему или ее отдельные агрегаты. Если на панели расположено большое количество взаимосвязанных ручных органов управления и средств отображения информации, рекомендуется каждый орган управления располагать непосредственно под связанным с ним индикатором: справа от него — для правой руки, слева — для левой руки.

При размещении органов управления и соответствующих им средств отображения информации на разных панелях необходимо, чтобы:

♦ органы управления занимали положение, соответствующее положениям связанных с ними СОИ;

♦ панели с органами управления и СОИ не размещались друг против друга;

♦ все индикаторы располагались в верхней части панели, а все органы управления — в ее нижней части.

При использовании концентрических поворотных ручек, связанных с индикаторами, последние следует располагать в ряд слева направо, причем центральная ручка должна соответствовать крайнему левому индикатору, средняя — среднему, а периферическая — крайнему правому. Если индикаторы, расположенные горизонтальными колонками, связаны с таким же образом расположенными органами управления, то крайний левый (верхний) индикатор должен соответствовать крайнему левому органу управления в верхнем ряду колонки, а крайний правый (нижний) индикатор — крайнему правому органу управления в нижнем ряду колонки.

Кнопки и клавиши.

Кнопки и клавиши применяются для проведения быстрых операций типа "включено —выключено", требуют при управлении незначительных физических усилий, позволяют осуществлять управляющие действия с наибольшей скоростью. Приводной элемент кнопки при нажатии перемещается вдоль оси фиксации, а клавиши — поперек оси (см. табл.). Приводные элементы кнопок и клавишей должны иметь автоматическое возвратное движение. Кнопка может быть прямоугольной или круглой, клавиша же, как правило, всегда прямоугольная. Рабочая поверхность кнопки может быть вогнутой или выпуклой, в зависимости от диаметра и способа нажатия. Покрытие кнопки должно быть гладким и выполнено из материалов с высоким коэффициентом трения либо иметь насечку, нетравмоопасную для кожи пальцев. При частом использовании этого типа быстродействующих выключателей (переключателей) целесообразно применять кнопки четырехугольной формы с закругленными углами и верхней кромкой. При редком использовании их можно заменять кнопкой круглой формы. Включение кнопки должно вызывать ощущение слышимого щелчка или ощущение других модальностей: тактильное, звуковое, световое (либо их сочетания в соответствии с избранной формой кодирования управляющего воздействия). Цвет кнопки должен отличаться от цвета панели: на темных панелях устанавливают светлые кнопки, на светлых — темные или ярких, насыщенных тонов. В целях исключения возможности случайного включения соседних кнопок расстояние между краями соседних кнопок должно составлять не менее 15 мм, при работе в перчатках — не менее 25 мм, а для кнопок, нажимаемых большим пальцем, — не менее 50 мм. В случае применения включателей (переключателей) при освещенности менее 300 лк и частоте нажатия более 5 раз в минуту размер приводных элементов между ними следует увеличить в 1.5 — 3 раза, а максимальное усилие должно быть не более 0,6 Н. Для особо важных команд целесообразно использовать клавиши, имеющие фиксатор или защелку, хорошо читаемую надпись, состоящую не более чем из трех строк. Для контроля операции включения клавишей целесообразно использовать подсвет.

Рычажные переключатели (тумблеры). Поворотные переключатели и регуляторы.

Рычажные переключатели (тумблеры). Применяются для быстрого включения, выключения и переключения режимов работы, не требуют при управлении больших физических усилий, хорошо опознаются на рабочем месте, позволяют осуществлять операции с большой скоростью.

Форма приводного элемента (рычажной части) тумблера может быть конусообразной, многогранной или цилиндрической с расширением на конце в виде шарика или лопатки. При кодировании тумблеров их форму можно изменять, однако не должно быть острых кромок и граней. Можно кодировать тумблеры и разные позиции приводного элемента цветом, надписями и символами. На приводном элементе тумблера не допускаются плоские грани с радиусом перехода менее 0,2 мм — для тумблеров легкого типа и менее 0,5 мм — для тумблеров тяжелого типа. Приводной элемент тумблера должен иметь длину не менее 10- 15 мм и толщину в расширенном участке 3 — 5 мм. Межпозиционные перемещения рычажка должны выполняться в секторе 40 — 60 градусов — для двухпозиционного тумблера и в секторе 30 — 50 градусов — для трехпозиционного. Положение тумблера, характеризующее его состояние, должно легко распознаваться визуально, тактильно и на слух (как щелчок). Позиция приводного элемента "верх" должна соответствовать состоянию "включено", "низ"— состоянию "выключено". Тумблеры легкого типа должны рассчитываться на усилия до 7 Н, тяжелого — на усилия 7 - 25 Н.

Поворотные переключатели и регуляторы. Применяются для операций включения—выключения, плавного непрерывного или ступенчатого регулирования. Действия с ними требуют незначительных усилий, кодирование их легко осуществимо. Конструкция их должна обеспечивать сигнализацию об установлении каждой дискретной позиции посредством слышимого щелчка или ощущаемого скачкообразного изменения. Приводные элементы поворотных переключателей ступенчатого действия (селекторные переключатели) должны иметь указатель (стрелку, точку, метку и др.), а также надежное устройство подпружинной фиксации положения, которое должно обеспечивать возможность быстрого и однозначного определения позиции переключения. На регуляторы не следует наносить никаких надписей. Исключение составляют органы управления, расположенные близко друг к другу, а также приводные элементы шкального типа (с лимбом). Торцевые переключатели используются для ввода цифр при одновременном их считывании (проверке). Торцевой переключатель дискретного действия должен иметь в каждой позиции приводного элемента либо слегка вогнутую рабочую поверхность, либо несколько выступающий участок с накаткой. Кодирование можно осуществлять положением, пометками и цветом. Для позиций "включено" и "нормально" следует использовать цветовое кодирование. Возможность цифрового отсчета позиций торцевого переключателя должна быть обеспечена для всех рабочих поз оператора. Переключатели дискретного действия необходимо снабжать пружинными фиксаторами. Селекторные переключатели следует использовать для дискретного переключения от 3 до 24 исполнительных позиций. Они должны быть снабжены пружинным фиксатором положений, движущейся стрелкой, ориентирной опорной линией, а также неподвижной шкалой. Контрастность ориентирной линии должна составлять не менее 50% цвета всего переключателя. Стрелка должна быть максимально приближена к шкале, чтобы параллакс от расстояния между позициями шкалы составлял не более 25%. Возможно кодирование стрелок формой при группировании нескольких селекторных переключателей с различными функциями. При этом необходимо избегать расположения позиций переключателей друг против друга. Для крайних позиций приводного элемента необходимо предусматривать стопоры. При манипулировании переключателями шкала не должна прикрываться рукой. Если управление переключателями осуществляется левой рукой, то деления на шкале и надписи следует размещать сверху и справа от переключателя; если правой рукой — то сверху и слева от него. Отметки часто используемых режимов включения целесообразно располагать в наиболее удобной для обзора части шкалы. Размеры рукоятки электронного переключателя должны находиться в пределах: диаметр — 20—120 мм, ширина — 2-15 мм, высота — 10 — 55 мм. Ручкам, рассчитываемым на точную регулировку, необходимо обеспечить диапазон поворотов на 30—60 градусов в каждую сторону от нулевой точки, а у рассчитываемых на большое усилие боковые поверхности должны быть ребристыми для обеспечения надежного захвата. Расстояние между краями соседних ручек при работе пальцами должно составлять не менее 20 мм, при работе в перчатках — не менее 25 мм, при работе кистью — не менее 50 мм, при работе двумя руками — не менее 70 мм.

Шпаргалки к экзамену–обработка и фильтрация сигналов

2014-11-02T10:33:59Z

Канал связи и преобразование информации в его элементах

Информационным называется процесс, возникающий в результате установления связи между двумя объектами материального мира. При этом один из объектов является генератором информации (источником), а другой - приёмником информации (получателем).
Материальная среда, определяющая взаимодействие между источником и приёмником информации, называется каналом связи.
Общими элементами большинства каналов связи являются: источник информации, кодирующее устройство, приёмник информации, устройство хранения, обработки и отображения информации.
Любое устройство НК представляет собой систему преобразования информации. При этом преобразование информации необходимо производить объективно, т.е. без искажений.
Преобразование информации в элементах каналов связи можно условно разделить на следующие этапы:
Выбор информативных параметров с учётом поставленных целей и задач. Объект контроля характеризуется всегда большой совокупностью параметров. При реализации этого этапа необходимо определить, какие параметры наиболее важны для достижения поставленной цели, каким образом связаны с качеством объекта.
Формирование сообщений, т.е. преобразование информации в форму удобную для дальнейшего использования.
Ввод преобразованной информации в техническое устройство для последующей обработки Данный этап обычно включает следующие операции: считывание информации, образование кодовой комбинации для выбранных информационных элементов, передача кодовой комбинации в канал связи.
Этап передачи и приёма информации. Процесс передачи информации представляется как некоторое отображение множества сообщений в множество сигналов. Каждому элементу комбинация ставится в соответствие определённый сигнал или их последовательность.
Хранение и поиск информации. Необходимость этого этапа возникает в тех случаях, когда число приходящих в систему сообщений превышает пропускную способность устройства ввода.
Переработка информации. Данный этап предусматривает получение статистической характеристики, прогнозирования проведения информационного процесса.
Отображение информации. Сущность данного этапа заключается в представлении информации в наиболее удобной форме для восприятия.

Классификация сигналов

Под сигналом понимают процесс изменения во времени физического состояния какого-либо объекта.
В зависимости от вида модели, которой описывается сигнал (вещественная или комплексная), сигналы подразделяются на вещественные и комплексные.
Так же различают одномерные и многомерные сигналы. Одномерным называется сигнал, математической моделью которого является она функция времени.
Под многомерным сигналом понимают: сигнал, образованный совокупностью одномерных сигналов. Многомерные сигналы в практике НК используются достаточно часто, например, оценка качества продукции по нескольким информативным параметрам.
В зависимости от возможности или невозможности предсказания мгновенных значений сигнала в любой момент времени выделяют детерминированные и случайные сигналы. Детерминированный сигнал – сигнал модель которого позволяет осуществить такое предсказание. Если модель сигнала не позволяет осуществить такое предсказания, то сигнал называют случайным.
Различают сигналы непрерывные и импульсные.
Непрерывным наз-т сигнал, значение которого определенно в любой момент времени на отрезке наблюдения сигнала.
Импульсный сигнал представляет собой колебания в пределах конечного отрезка времени.
Сигналы разделяют на аналоговые и дискретные.
Аналоговым наз-т сигнал, значение которого можно измерить в любой момент времени на отрезке наблюдения сигнала.
В отличие от аналоговых сигналов дискретные сигналы
воспроизводят значения только лишь в отдельные моменты времени.
Особой разновидностью дискретного сигнала является цифровой сигнал. Для цифрового сигнала отсчётные значения представляются в форме чисел.
В сущности, любой дискретный сигнал является сигналом аналоговым, если рассматривать сам сигнал как физический процесс. Дискретизация сигнала выполняется с определённой целью, например, передача по одному каналу нескольких сигналов одновременно. Такой режим называется режимом разделения времени.

Динамическое представление сигналов на основе функций включения и дельта–функций

Преобразование сигналов в системах обработки информации требует располагать информацией не только о мгновенных значениях сигнала, но и знать поведение сигнала на всей временной оси. Способ получения таких моделей сигналов состоит в следующем. Реальный сигнал приближенно представляется суммой элементарных сигналов, возникающих в последовательные моменты времени. При этом, если устремить к 0 длительности элементарных сигналов, то получим точное представление моделируемого (исходного) сигнала.
Для построения динамических моделей используют ступенчатые функции (ф-ции включения) и прямоугольные импульсы (δ-функции).
1) Функция включения (Хэвисайда) σ(t):
(1) (2) (3)
В технике обработки сигналов используют допущения(2).
Построим график функции включения (см.2)
Функция представляет единичн. скачок в момент времени t.
В произвольный момент времени t0 функция имеет вид(3).
С помощью функции включения очень удобно строить модели прямоугольных видеоимпульсов.
2) Динамическое представление сигналов осуществляется с помощью δ-функций. Предположим, что есть сигнал, представляющий прямоугольный импульс. Если для такого импульса длительность устремить к нулю, то амплитуда такого импульса будет неограниченно расти. Площадь импульса равна 1/ξ•ξ=1 Импульс с такими свойствами называют функцией Дирака(δ-функцией).
С точки зрения математики δ-функция принимает значения:

С помощью δ-функции можно осуществить динамическое представление сигнала в следующем виде:
Если непрерывную функцию проинтегрировать во времени, предварительно умножив ее на δ-функцию, то результат будет соответствовать значению непрерывной функции в точке, где сосредоточена δ-функция. Фактически, данная формула показывает фильтрующие свойства δ-функции. Это значит, что в любой момент может быть получено мгновенное значение сигнала S(t), но для этого необходима информация о характере поведения сигнала на всей временной оси.
Практическая реализация динамического представления сигнала осуществлена в приборах, обладающих возможностью измерения мгновенных значений сигнала.

Спектральное представление сигналов (периодический сигнал)

Наиболее часто для разложения сигналов используют совокупность гармонических колебаний кратной частоты, т.е. cos(nx) и sin(mx). Если какой-либо сигнал представлен в виде суммы гармонических составляющих с кратными частотами, то говорят, что осуществлено спектральное разложение сигналов. При этом совокупность отдельных гармонических составляющих называют спектром сигнала. Гармонические составляющие кратной частоты используют для разложения сигналов по следующим причинам:
1) гармонические сигналы инвариантны (не чувствительны) относительно преобразований, осуществляемых линейными сигналами. Это значит, что цепь, возбуждённая источником гармонических колебаний имеет на выходе тоже гармонический сигнал.
2) техника генерирования гармонических сигналов относительно проста. Один и тот же сигнал имеет 2 совершенно равноправные мат. модели: функция во временной области S(t); функция в частотной области.
Для детерминированных сигналов она обозначается S(ω) и называется спектральной плотностью сигнала. Часто мат. модель сигнала представляется во временной области и является сложной и не достаточно наглядной. В то же время описание сигналов в частотной области оказывается простым. Кроме того, спектральное представление сигналов открывает прямой путь к анализу прохождения сигналов через устройства и системы обработки. Периодический сигнал в частотной области м.б. представлен рядом Фурье:

В большинстве случаев n = m, при этом группа коэффициентов a_i вычисляется:

В соответствии с записанными выражением, периодический сигнал составляет постоянную составляющую и бесконечно большое число периодических составляющих (гармоник). Частота ω₁называется основной частотой последовательности. Все остальные частоты называются кратными частотами. Составляющие сигнала при n=2,3… называются высшими гармониками. Графическое изображение спектрального разложения сигнала называют спектральной диаграммой. Различают амплитудные и фазовые спектральные диаграммы. В случае построения амплитудой спектральной диаграммы по горизонтальной оси в некотором масштабе откладывают частоты гармоник, а по вертикальной – амплитуды гармоник, сосредоточенных на этих частотах. При построении фазо-спектральной диаграммы по вертикальной оси – фазы гармоник, сосредоточенных на соотв. частотах.

Спектральное представление сигналов (непериодический сигнал).

Наиболее часто для разложения сигнала используют совокупность гармонических колебаний кратной частоты. Если к.-л. сигнал представить в виде суммы гармонических составляющих с кратными частотами, то говорят что осуществлено спектральное разложение сигнала. При этом совокупность отдельных гармонических составляющих называют спектром сигнала. Часто мат. модель сигнала, представленная во временной области является сложной и недостаточно наглядной. В то же время описание сигналов в частотной области оказывается простым. Метод разложения в ряд Фурье позволяет получить спектральное представление для непериодического сигнала. Наибольший интерес среди непериодических сигналов представляют импульсные сигналы. Для получения формулы непериодического сигнала мысленно дополняют временную ось таким же сигналом, а период в полученной последовательности устремляют к бесконечности. В этом случае ряд Фурье выражается в интеграл Фурье, а спектр сигнала становится сплошным.
(1) (обратное преобразование)
(2) (прямое преобразование)
(1) и (2) – пара преобразований Фурье.

Данные формулы применимы лишь в том случае, если выполняется условие Дирихле, а именно, функция S(t) должна быть абсолютно интегрируемой, а это значит, что
.
Т.о. в частотной области непериодический сигнал характеризуется спектральной плотностью, а его модель во временной области связана со спектральной плотностью парой преобразования Фурье.

Основные свойства преобразований Фурье

1. Линейность.
Есть совокупность сигналов S1(t), S2(t),…, SN(t). S1(ω) – спектральная плотность сигнала S1(t), S2(ω) – сп. плотн. S2(t), SN(ω) – сп.плотн. SN(t). При этом линейная комбинация указанных сигналов имеет спектральную плотность равную линейной комбинации спектральных плотностей этих сигалов.

2. Спектральная плотность сигнала смещённого во времени.
Сигнал S(t) имеет спектральную плотность S(ω), то:
S(t-t0) → S(ω)·e-j·ω·t0.
3. Зависимость спектральной плотности сигнала от выбора масштаба времени.
Сигнал S(t) имеет спектральную плотность S(ω), то сигнал S(k·t) подверженный изменению масштаба времени будет иметь спектральную плотность .
4. Спектральная плотность произведения двух сигналов.
Если S1(ω) – спектральная плотность сигнала S1(t), S2(ω) – сп. плотн. S2(t), то:
S1(t)∙ S2(t) → (свёртка спектральных плотностей).
5. Спектральная плотность производной сигнала.
Если сигнал S(t) имеет спектральную плотность S(ω), то производная сигнала S’(t) будет иметь спектральную плотность jω∙ S(ω), где jω – оператор дифференцирования.

6. Спектральная плотность интеграла сигнала.
Если сигнал S(t) имеет спектральную плотность S(ω), то

где 1/jω – оператор интегрирования.

Спектральные плотности модулируемых сигналов

В простейшем случае модуляция заключается в том, что один из параметров, характеризующий сигнал во временной области изменяют по определенному закону. Сигнал S(t) является гармоническим, амплитуду – А0, частота – ω0, нач. фаза – φ0.

В таком колебании все 3 параметра, характеризующие сигнал являются постоянными.

При модуляции, один из параметров изменяется по заранее известному закону, что с математической точки зрения может быть описано путем умножения изменяемого параметра на величину 1 + mF(t), где F(t) – называют модулирующей функцией, m – глубиной модуляции.
Предположим, что происходит амплитудная модуляция сигнала S(t), промодулированный сигнал обозначим .

Модулируемый сигнал, зависящий от времени окажется равным:

Сигнал, полученный с помощью модуляции.

Первое слагаемое в полученном выражении представляет собой исходное колебание, второе и третье – новые гармоники, которые появились в результате модуляции. Частоты этих гармоник ω0–Ω и ω0+Ω называются боковыми частотами. Т.о. модуляция сигнала ведет к изменению спектра сигнала, причем в большинстве случаев спектр сигнала становится более широким.

Понятие случайного процесса. Стационарность случайного процесса

Понятие случайного процесса.
Теория случайных величин изучает вероятностные явления как фиксированные результаты некоторых физических экспериментов, т.е. изучает физические процессы в статике. Для описания сигналов, которые отображают, развивающиеся во времени, физические процессы методом классической теории вероятности оказалось недостаточно. Подобные задачи изучает особая ветвь в математике, которая называется теория случайных процессов.
Случайные процессы принято обозначать x(t). Случайный процесс x(t) – это особого вида функция, характеризующая тем, что в любой момент времени ее значение является случайным. Иногда говорят, что x(t) – случайная функция. Имея дело с детерминированными сигналами, мы отображаем их функциональной зависимостью S(t) или осциллограммой. Имея дело со случайным сигналом, приходящегося фиксировать мгновенное значение случайного сигнала и получать при этом единичную реализацию случайного процесса.
Случайный процесс x(t) представляет собой бесконечное число случайной реализации x_i(t), которые образуют статистический ансамбль {x_i(t)}.
Классификация случайных процессов.
Случайные процессы подразделяют на: стационарные и нестационарные, эргодические и неэргодические.
Деление случайных процессов на стационарные и нестационарные базируется на понятии плотности вероятности случайных процессов. (*)
Рассмотрим случайный процесс x(t) заданный статистическим ансамблем x1(t), x2(t)… (рис.). Зафиксируем момент времени t. Указанная процедура называется сечением случайного процесса и она позволяет получить выборку случайных процессов, которая характеризует состояние случайного процесса в момент времени x1. Зафиксируем момент времени t2 и рассмотрим сечение случайного процесса в данный момент времени.
Для двух случайных величин полученных в момент времени t1 и t2 можно ввести двумерную плотность вероятности p(x1,x2,t1,t2). Предположим, что зафиксировано n случайных измерений. В этом случаи можно говорить, о n-мерной плотности распределения вероятности p(x1,x2,…,xn,t1,t2,…,tn). Физический смысл показывает вероятность реализации случайной величины x1 в момент времени t1; вероятность реализации случайной величины x2 в момент времени t2.
Случайный процесс называется стационарным, если его n – мерная плотность распределения вероятности не зависит от временного сдвига по оси времени. Для определения стационарности и не стационарности случайного сигнала исследуют источник этого сигнала, и если обнаруживается, что нет явных изменений в параметрах источника сигнала, то генерируемый сигнал считается стационарным.
Некоторые стационарные процессы обладают интересным свойством. Оно заключается в том, практически каждая реализация случайного процесса ведет себя так, как и весь статистический ансамбль. В результате динамику такого случайного процесса можно изучать по одной из реализаций. Сам же случайный процесс называется эргодическим.

Статистические параметры случайного процесса. Свойства

Используются следующие параметры:
1. Мат. ожид. случ. процесса m_x(t)
2. Дисперсия D_x(t)
3. Кореляц. ф-ция R_x(t1,t2)
Мат. ожид. случ. Процесса - неслучайная ф-ция, значение которой при каждом фиксированном моменте аргументе моменте времени равно мат. ожид. сечения, соотв. этому моменту времени.
Дисперсия случ. процесса - неслучайная и неотрицательная ф-ция, значение которой при каждом фиксированном моменте времени равно дисперсии сечения, соотв. этому моменту времени.
Корреляц. ф-ция случ. процесса- неслучайная ф-ция, значение которой при каждой паре фиксированных аргументов равно корреляц. моменту сечений, соотв. данным величинам.
Статистические параметры могут быть вычислены математически и экспериментально.
Мат. ожид:

Дисперсия:

Корреляц. ф-ция:
=
Если корреляционные и взаимокорреляционные функции не зависят от аргументов, то процессы – стационарно связанные.
Описание процессов с помощью статических характеристик – корреляционная теория сл. процессов.

Измерение характеристик случайного процесса

Измерение математического ожидания и дисперсии базируется на следующем принципе: сначала определяется плотность распределения вероятностей, а потом производится интегрирование полученного результата. Предположим, что имеется одна случайная реализация x(t). Оказывается, что одномерная плотность распределения вероятности эргодического случайного процесса пропорциональна времени пребывания случайных реализаций этого процесса на уровне между величиной x и x+∆х.
Устройство для измерения одномерной плотности распределения вероятности содержит компаратор, на один из входов которого подается случайная реализация x(t), на 2-ой вход уровень сигнала х, формирователь импульсов ФИ, интегрирующий прибор (стрелочный прибор, выполняющий функцию интегрирования).

Таким образом данное устройство позволяет измерять математическое ожидание случайного процесса. При измерении дисперсии случайного процесса после формирователя импульсов включается емкость С, а в качестве инерционного прибора применяют квадратичный вольтметр, который выполняет функцию возведения результатов измерения в квадрат.

Прибор для измерения корреляционной функции называется коррелометром. Принцип работы коррелометра следующий (1): мгновенное значение исследуемого сигнала после фильтрации постоянной составляющей разделяют на два канала. В одном из каналов осуществляют задержку сигнала на время τ. После этого полученные сигналы перемножают, и результат перемножения измеряют инерционным прибором, осуществляющим интегрирование. Полученный результат соответствует корреляционной функции сигнала.

Связь корреляционной и спектральной теории случайного процесса

Представление случайного сигнала в частотной области носит название спектральной теорией случайного процесса. Данная теория для описания случайного процесса использует спец. функцию, которую называют спектральной плотностью мощности случ. Процесса (спектром мощности). Wx(ω) – спектр мощности случайного процесса х.
Посмотрим на аналогию детерминированного и случайного процессов: Sx(ω) и Wx(ω). Sx(ω) и Wx(ω) – величины различные. Но между моделями корр. и спектр. cвязаны преобразованиями Фурье. Спектр мощности Wx(ω) и Rx(τ) связаны между собой парой преобразования Фурье:

Для пояснения физического смысла Wx(ω), положим: значение τ=0, в этом случае корреляционная функция окажется равной дисперсии случайного процесса Rx(0)=D(x) , то есть дисперсия есть средняя мощность флуктуации среднего стационарного случайного процесса. Чем шире спектр мощности, тем хаотичнее реализация случайного процесса.

Wy(ω) > Wx(ω),Wy(ω) – шире. Необходимо отметить, что спектральная плотность мощности не содержит информации о фазовых соотношениях м-ду отдельными реализациями случ. процесса. Это значит, что по спектру мощности нельзя восстановить отдельную реализацию случ. процесса. Рассмотрим случ. процесс, который имеет постоянный спектр мощности Wx(ω)= Wx(0)=const.

Случайный процесс с постоянным спектром мощности называют белым шумом. В природе он не существует. Белым шумом – называется мат. модель, которой удобно заменять на практике широко полостные случайные процессы с целью упрощения вопросов. Особенно выгодны такие замены в тех случаях когда полоса пропускания оказывается существенно уже ширины спектра шума.

Физические системы преобразования информации и их математические модели

Системы, применяемые для обработки сигналов разнообразны как по принципам внутреннего устройства, так и по внешним характеристикам, однако в любом случае устройство обработки сигналов всегда представляет собой систему (совокупность блоков и связей между ними).
В структуре системы всегда можно выделить вход и выход.
Входной сигнал Uвх(t) и выходной сигнал Uвых(t) связаны между собой системным оператором Т:

Математической моделью системы называют совокупность системного оператора Т и двух областей Dвх – область допустимых входных сигналов и Dвых – область допустимых выходных сигналов.
С точки зрения классификации систем выделяют:
- стационарные и нестационарные
- линейные и нелинейные
- сосредоточенные и распределенные
- статические и динамические
Системы называются стационарными, если выходная реакция не зависит от того, в какой момент времени поступило входное воздействие

Иногда стационарные системы называют системами с постоянными параметрами. Если сигнал на выходе Uвых(t) зависит от выбора начала отсчета, то такую систему называют нестационарной или параметрической.
Система называется линейной если преобразование суммы двух сигналов эквивалентно сумме преобразований каждого сигнала в отдельности

Если данные условия не выполняются, то сумму называют нелинейной.
Линейные системы замечательны тем, что для них можно решить задачу о преобразовании сигнала.
Сосредоточенной называют такую систему, которая содержит соединительные проводники по длине гораздо меньше, чем длина волны распространяющегося по этим проводникам сигнала
Распределенной называется система, когда длина соединительных проводников превышает длину волны несущего колебания.
Динамическая система обладает следующим свойством: выходной сигнал определяется не только величиной входного сигнала в рассмотренный момент времени, но и состоянием сигнала в предшествующий момент времени.
Для статической системы нет зависимости от времени.

Прохождение детерминированных сигналов через системы преобразования информации

Импульсной характеристикой системы называют отклик этого устройства на функцию Дирака δ(t)
, .
В частотной области вводится понятие частотного коэффициента передачи системы, который связан с импульсной характеристикой h(t) этого устройства парой преобразований Фурье.
- прямое преобразование.
- обратное преобразование.
Таким образом любую систему можно обработки сигналов можно рассматривать либо во временной области с помощью импульсной характеристики, либо в частотной области с помощью частотного коэффициента передачи. Оба подхода являются равнозначными, а выбор одного из них диктуется, прежде всего, удобством математических расчётов.
Частотный коэффициент передачи использует простую интерполяцию: если на вход устройство подаётся гармонический сигнал с частотой w и комплексной амплитудой, U_вх, то амплитуда сигнала на выходе окажется равной:
,
K(jw)- отражает внутреннее состояние системы.
Методика анализа прохождения детерминированного сигнала через систему обработки информации состоит в следующем:
1) По импульсной характеристике h(t) находят частотный коэффициент передачи системы K(jw):

2) По модели сигнала во временной области S(t) находят спектральную плотность сигнала S(w):
.
3) Сигнал на входе устройства находят путём умножения спектральной плотности на входе на K(jw).
.

Прохождение случайных сигналов через системы преобразования информации

Расчёт сигнала на выходе системы в случае прохождения через неё случайного сигнала проводится следующим образом:
1) для устройства обработки информации по известной импульсной характеристике находим частотный коэффициент передачи (используя прямое преобразование Фурье):
;
2) по корреляционной функции сигнала находим спектр мощности (используя прямое преобразование Фурье):
;
3) спектр мощности на выходе устройства находится следующим образом:
;
4) корреляционную функцию на выходе системы находим, используя обратное преобразование Фурье:
.

Классификация помех. Электрические помехи

По виду воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи.
Помеха n(t), называется аддитивной, если действие этой помехи и полезного сигнала на устройство обработки независимы. Общий сигнал в тракте обработки в случае аддитивной помехи может быть представлен в следующем виде: X(t) = S(t)+n(t)

Помеха называется мультипликативной, если она модулирует полезный сигнал. Общий сигнал в этом случае оказывается равен: X(t) = a∙μ(t)∙S(t),
где S(t) – полезный сигнал; μ(t) – мультипликативная помеха; а – постоянный коэффициент, который показывает глубину модуляции (рис2)
В большинстве случаев при НК имеет место совместное действие мульт-й и аддитивной помехи. Тогда результирующий сигнал можно представить как:
X(t) = a∙μ(t)∙S(t)+n(t)
Большинство помех при НК порождается электрическими процессами. Эти помехи называются электрическими. Они делятся на внутренние (возникают внутри аппаратуры) и внешние.
Существуют так же реверберационные помехи – возникают в результате рассеяния зондирующего излучения на неоднородностях в контролируемом материале.
Электрические помехи можно разделить на 3 класса:
1) флуктуационные; 2) квазигармонические;
3) импульсные.
1) Флуктуационные, представляют собой случайный процесс с нормальным законом распределения плотности вероятности. С физ-й точки зрения, флуктуационные помехи порождаются случайными отклонениями тех или иных физ-х величин от средних значений.
Флуктуационные помехи возникают в местах соединения отельных участков в цепи обработки сигналов; в различных элементах цепи от теплового шума; в источниках полезных сигналов и различного рода усилителях. Наиболее распространенная причина возникновения – тепловое движение.
2) К квазигармоническим помехам относятся сигналы посторонних радиостанций, излучение высокочастотных генераторов промышленного и медицинского назначения. Основным свойством помехи является то, что ширина спектра этого сигнала является чрезвычайно узкой.
3) Импульсные помехи представляют собой последовательность импульсов произвольной формы, произвольной длительности и амплитуды, возникающих в случайные моменты времени. К таким помехам относятся многие виды атмосферных (гроза) и индустриальных воздействий на аппаратуру НК.

Методы борьбы с электрическими помехами

Универсальных способов борьбы с эл. помехами не существует. Наиболее распространенные способы борьбы с электрическими помехами, которые применяются в аппаратуре НК:
1) снижение уровня помех за счёт уменьшения числа источников помех. Этот способ основан на предотвращении возникновения источников помех или их подавлении путём компенсации.
2) подавление помех за счёт исключения паразитных связей и источников помех и каналов передачи полезных сигналов. Это достигается за счёт экранирования цепей и узлов канала связи, за счёт гальванического разделения цепей, за счёт симметрирования цепей передачи и т.д.
3) способ основан на том, что помеха и полезный сигнал не коррелированны. Создаётся принципиальная возможность отделения помехи от полезного сигнала. Отделение полезного сигнала от помехи зачастую основано на использовании различных частотных спектров полезного сигнала и помехи. Данный способ получил название фильтрации. Устройства, которые выполняют фильтрацию, называются фильтрами.

Акустические помехи

При НК акустическим методом чувствительность ограничивает акустические помехи. Их разделяют на внутренние и внешние. Наиболее опасными являются внешние. Их источником является само контролируемое изделие.
Характерным примером внешней акустической помехи может служить внешний сигнал, который возникает в результате отражения акустической волны от шероховатой поверхности изделия. В результате выявляемость дефектов расположенных вблизи таких неоднородностей затрудняется. Сигнал, сформированный в результате отражения поддается статическому описанию, поскольку шероховатости поверхности изделия расположены случайным образом.
Серьезную опасность представляют помехи, порожденные ударами датчиков об ОК. Эти помехи имеют вид импульсов случайной амплитуды и длительности. Статистические свойства таких помех подчиняются закону Пуассона. К возникновению аналогичных помех приводит возникновение на поверхности ржавчины, окалины, наличие песка и т.д.
Наиболее опасны при УЗК реверберационные помехи (порождаемые при отражении УЗ волны от неоднородностей материала, особенно велика эта помеха при контроле материалов, состоящих из различных частиц, н-р, бетон, чугун, гранит). Значительна эта помеха и при РВК. Величина помехи зависит от соотношения среднего р-ра неоднородностей и длины волны зондирующего излучения.
Вследствие случайного расположения рассеивающих микронеоднородностей, непостоянство их размеров, формы и ориентации в пространстве реверберационная помеха представляет собой случайный процесс. Этот случайный процесс имеет нормальный закон распределения плотности вероятности, потому что реверберационная помеха образуется суперпозицией большого числа отражений от неоднородностей. Спектр мощности реверберационной помехи отличается от спектральной плотности зондирующего сигнала только лишь зависящим от времени коэффициентом. В связи с этим реверберационная помеха оказывается коррелированной с зондирующим сигналом, что и обуславливает значительные трудности обнаружения и измерения полезного сигнала.

Измерение информации. Энтропия

Информацию можно измерить, т.е. точно определить её количественно. Существует три основных направления:

1. Структурное – при дискретном строении массива информации измерение количества информации происходит путём подсчёта информационных элементов. Теория применяется для оценки информационных возможностей аппаратуры, каналов связи, запоминающих и регистрирующих устройств, не зависимо от области их применения.
2. Статистическое – оперирует понятием энтропии, как меры неопределённости ситуации. Энтропия учитывает вероятность появления, а, следовательно, и информативность сообщения. Теория позволяет оценить информационные возможности устройств.(Напр.: при передаче по каналу связи информации с определёнными характеристиками.)
3. Семантическое – учитывает ценность, полезность информации. Используется при оценке эффективности логических опытов, применение ограничено, т.к. теория недостаточно разработана.
В общем, сущность процесса измерения информации заключает в себе:
1) Мера информации д.б. общей, независимо от природы объектов.
2) Д.б. общие законы обработки, передачи и хранения информации.
3) Д.б. общие зависимости, определяющие влияние тех или иных факторов на преобразование, скорость передачи, потери и возможность хранения информации.
Энтропия – мера неопределённости ситуации.
При оценке информации важной закономерностью является зависимость её количества от неопределённости ситуации, сообщение о которой рассматривается. Т.е. сообщение, получаемое о некотором событии, несёт в себе количество информации равное неопределённости, существовавшей до получения сообщения о данном событии. Также справедлив принцип аддитивности, т.е. зависимость количества информации от длины сообщения.
Воплощением концепции неопределённости является алфавит сообщения – количество состояний элемента, из которых производится выбор при передаче сообщения. Увеличение алфавита ведёт к увеличению неопределённости ситуации и, следовательно, к увеличению количества информации в каждом сообщении. Количество информации, содержащееся в одном элементе сообщения, равно неопределённости ситуации, которая зависит от размерности алфавита.
,
где H – энтропия, m – размерность алфавита сообщения.
Если об одной ситуации передаётся n равновероятных сообщений, то количество информации I равно:

Энтропия дискретного сигнала

Большой класс дискретных сообщений может представлять совокупность из n элементов, при этом каждый элемент может принимать m различных состояний. Такие сигналы называют дискретными по состоянию элементов. Всего число возможных сообщений, которое м.б. сформировано в данной ситуации окажется равной:
Рассмотрим произвольное сообщение, которое состоит из n-элементов и может принимать m состояний с вероятностью .
Количество информации содержащееся в 1-м элементе указанного сообщения равно:
.
Физический смысл: она показывает информативность k-го состояния при размерности алфавита = m.
Свойства энтропии:
Энтропия – величина неотрицательная.
Энтропия равна 0, когда вероятность одного события равна 1. Это значит, что сообщение известно заранее, факт его получения не приносит никакой инфы.
Если число состояний сообщений = 2, то энтропия max и составляет 1 при условии, что вероятности p1 = p2.
Неопределенность max, когда события равновероятны.

Энтропия непрерывных сигналов.

Сообщения, элементы которых могут принимать любые состояния из некоторого интервала называют непрерывными по состоянию элемента.
Состояние каждого из n элементов непрерывного сообщения можно охарактеризовать функцией распределения плотности вероятности, которая обозначается f(x).
(*)
Представим непрерывный сигнал в виде дискретного с шагом квантования ∆x. В этом случае можно утверждать, что сигнал будет иметь m фиксированных уровней. Вероятность попадания элемента сообщения в произвольный к-ый уровень .
Используя ранее полученные выражения для расчета энтропии дискретного сигнала:

Устремим интервал квантов-я,соотв-но

Данное выражение определяет энтропию непрерывного сигнала.
Первое слагаемое в данной формуле есть величина, которая зависит от функции распределения плотности вероятности и она определяет информативность непрерывного сигнала.
Второе слагаемое logΔx определяет потери информации при квантовании непрерывной физической величины. Интеграл квантования определяется разрешающей способностью применяемого средства измерения.

Энтропия статистически зависимых сигналов.

Даны 2 сигнала х и у – дискретные. х принимает уровни х1, х2, …, хm с соотв вер. р(х1), р(х2), … , р(хm) и y – у1, у2, … ,уn с вер. р(у1), р(у2), … , р(уn).
Степень статистической связи сигналов х и у:

Энтропия сигналов Н(х,у):

Для дискретных сигналов энтропия:

Условная энтропия:

х – информационный, у – помеха:
Энтропия сигналов Н(х,у):

х, у – непрерывные:
Энтропия сигналов Н(х,у):

Энтропия сигнала у при условии, что х пришел:

Информационная модель сигнала в интроскопии и акустике

Процесс преобразования информации в НК неразрывно связан с системой передачи информации. Обобщенная структурная схема системы передачи информации:

Сообщение в такой системе может быть передано в виде непрерывного или дискретного сигнала. По этому признаку каналы передачи информации делят на непрерывные и дискретные. В случае непрерывного канала информации передатчик 2 дополнительно выполняет роль согласующего устройства между источником сообщений 1 и каналом связи 3. В этом случае приемник 5 восстанавливает передаваемое сообщение в форме приемлемой для передачи адресату. Передаваемый сигнал подвержен действию помех, которые генерируются источником помех 4. В случае, если для передачи информации используется дискретный сигнал, то на выходе передатчика 2 и входе приемника 5 формируются сигналы специфической формы. Восстановление сигнала на входе передатчика требует специальных алгоритмов.

С- пропускная способность;
Vx – скорость передачи по этому каналу связи сигнала;
max I – максимум информации, кот. м.б. передано по каналу одним элементарным сигналом.
Пропускная способность канала связи определяется свойствами этого канала.
Если уровень помех в канале связи 3 достаточно мал, и этими помехами можно пренебречь, то такой канал связи называют каналом без помех.
Важнейшей характеристикой канала связи явл. пропускная способность – макс. возможное количество информации, кот. может пройти через канал связи в единицу времени.

С- пропускная способность;
Vx – скорость передачи по этому каналу связи сигнала;
max I – максимум информации, кот. м.б. передано по каналу одним элементарным сигналом.
Пропускная способность канала связи определяется свойствами этого канала.

Кодирование и передача информации в дискретном канале

Под кодированием информации понимается преобразование формы представления информации с целью обеспечения удобства ее передачи по каналу связи. Если сигнал характеризуется алфавитом А, то его отображение в алфавит В называют кодирующим изображением, само кодирующее отображение основано на некотором правиле называемым кодом. Обратная операция носит название декодирования и осуществляется на основе обратного кода. Коды которые формируют сообщения различной длины называют неравномерными, а коды формирующие сообщения одинаковой длины называют равномерными. Рассмотрим дискретные канал связи без помех, на входе которого формируется сигнал x имеющий размерность алфавита m, это значит, что сигнал x может принимать m различных состояний x1, x2 …xm. При передаче сигнала x через канал связи символы передаваемого сообщения могут быть как зависимыми друг от друга, так и не зависимыми. Если символы передаваемого сообщения независимы друг от друга, то энтропия источника сигнала определяется по формуле
В любом реальном канале связи всегда присутствуют помехи. Если считать уровень помех достаточно малым, то вероятность искажения сигнала при передаче равна нулю. Пропускная способность канала связи определяется скоростью передачи элементарного сигнала Ux и размерностью алфавита передаваемого сообщения m:

Для дискретного канала связи без помех характерна следующая закономерность, которая называется основной теоремой Шеннона. Теорема Шеннона: Если источник информации энтропию – H(x), а канал связи характеризуется пропускной способностью c, то:
Сигнал вырабатываемый источником можно закодировать, чтобы скорость передачи одного элементарного сигнала по данному каналу была сколь угодно близкой к значению (*)

Не существует метода позволяющего сделать скорость больше чем Vx.
Следует иметь ввиду, что основная теорема Шеннона не устанавливает метода кодирования, а устанавливает лишь предельную скорость передачи информации по дискретному каналу связи помехами. Энтропия определяется совокупностью информации сигнала и сигнала помехи. Для такого канала связи основная теорема Шеннона гласит: Если источник сообщений имеет энтропию H(x), а канал связи и пропускную способность c, то:
Сигналы, вырабатываемые источником сообщений можно закодировать так, чтобы скорость их передачи была сколь угодно близкой к (*) и чтобы вероятность ошибки в определении каждого переданного символа была меньше любого заданного числа. Не существует метода кодирования, который позволял бы вести передачу информации со скоростью большей чем Vx и сколь угодно малой вероятностью ошибок.При уменьшении скорости передачи информации, повышения достоверности этого же результата можно добиться путем многократного повторения каждого символа сообщения.

Передача сигналов по непрерывному каналу

В связи с широким применением аналоговых сигналов в акустике и интроскопии случай использования непрерывного канала для передачи информации является наиболее распространённым. Непрерывный канал передачи информации удобно рассматривать как предельный случай дискретного канала. Ширина спектра помехи и полезного сигнала на выходе канала ограничивается полосой пропускания самого канала. Наиболее просто описывается помеха типа «белого шума». Она имеет равномерный спектр в пределах полосы пропускания 0≤f≤fm.
Ограничение спектров сигнала и помехи позволяет при определении количества информации вместо непрерывной функции сигнала во времени S(t) рассматривать дискретизированную S(tk). Интервалы дискретизации в этом сигнале определяются по теореме Котельникова Δ=fm/2. Промежуточные значения S(t) являются избыточными и информации не несут. Интервал дискретизации Δ определяет необходимую скорость передачи импульсов по каналу V=1/Δ=2fm.
В этом сигнале максимальное количество информации содержащейся в одном импульсе можно определить по формуле max{I(x;y)}=Hm(S)=log(Sm/Δx+1), где m – число уровней квантования, содержащихся в интервале 0 ≤ S ≤ Sm.
Для непрерывного сигнала интервал Δx→0, тогда максимальное количество информации, которую несёт сигнал I→∞. Таким образом, при отсутствии помех, количество информации на один импульс оказывается бесконечно большим.
Однако в реальных каналах всегда присутствуют помехи. При уменьшении интервала квантования увеличивается количество информации на один импульс, одновременно увеличивается и вероятность стабильного принятия переданного сигнала. Это значит, увеличивается условная энтропия. В результате при стремлении к нулю интервала квантования количество информации, предаваемое одним символом, стремится к определённому конечному значению. Эти значения определяются формулами, энтропии двух зависимых сигналов I(X;Y)=H(X)-H(Y/X).
Если помеха является аддитивной, то для непрерывного канала связи справедливо следующее выражение для определения пропускной способности:

где - верхняя граница пропускания канала связи,
- отношение мощности сигнала к мощности помех (соотношение сигнал/шум). Данная формула устанавливает теоретический предел скорости передачи информации по непрерывному каналу при ограниченной мощности передаваемых сигналов и наличии аддитивной помехи в виде белого шума с ограниченным спектром мощности.

Согласование характеристик сигнала и канала передачи

Сигнал, несущий информацию может быть охарактеризован различными параметрами. При обработке сигнала используется 3 наиболее важных параметра:
Тх – время передачи сигнала; Рх – мощность сигнала;
fx – спектр частот сигнала.
В условиях наличия помехи Рх сопоставляют с мощностью помехи Рξ и часто пользуются отношением
, где Lx – превышение мощности сигнала над мощностью помехи.
В свою очередь канал передачи информации может быть охарактеризован следующими параметрами:
Тk – время использования канала; Lk – динамический диапазон канала, который определяют по формуле
, где Pmax – максимально допустимая мощность, которая может быть передана по каналу;
fk – полоса пропускания канала.
Сигнал, охарактеризованный ранее параметрами Tx, Lx, fx может быть передан по каналу связи с параметрами Tk, Lk, fk при выполнении условий:
1) ; 2) ; 3) .
Величину равную произведению T_x, L_x и f_x наз-т объёмом сигнала и обозначают V_c. А вел-ну равную произведению T_k, L_k и f_kназ-т ёмкостью канала V_k.
Главным условием передачи сигнала по каналу связи является: V_k ≥ V_c.
Если V_c<V_k, то запас ёмкости канала может быть использован для повышения достоверности передачи. Для этого используют следующие методы:
1) увеличение мощности сигнала, которая в свою очередь за счёт роста вел-ны L_x приводит к повышению V_c;
2) помехоустойчивое кодирование – основан на введении избыточных символов в код передаваемого сообщения. Указанные символы на приёмной стороне позволяют обнаружить ошибки возникающие при передачи. Введение избыточных символов увеличивает V_c за счет роста T_c;
3) метод помехоустойчивой модуляции – основан на том, что модулированный сигнал имеет более широкий частотный спектр. Модуляция сигнала приводит к увеличению V_c за счет роста вел-ны f_x;
4) помехоустойчивый приём сигнала (фильтрация) – основан на преобразовании сигналов, которые позволяют увеличить отношение сигнал/шум. Фильтрация увеличивает помехоустойчивость, увеличивается Т_х поскольку увеличивается время приёма сигнала.

Оптимальные фильтры устройств обнаружения дефектов

Предположим, что на устройство обработки информации на протяжении некоторого времени действует сигнал S(t), он является информативным. Кроме того, на устройство обработки действует помеха n(t), результирующий сигнал X(t), который принимается, можно представить в виде функции неявного вида, зависящей от 2-х переменных: X(t) = F(S(t), n(t))
Вид ф-ции F задает способ комбинирования сигнала и помехи. Из-за влияния помех и вследствие случайного характера сигнала, оценка реализации сигнала S(t) зачастую не совпадает с истинной реализацией. Это приводит к ошибкам фильтрации.
Фильтры могут быть либо программными, либо аппаратными.
Фильтры, предназначенные для устройств обнаружения сигналов, должны обеспечивать максимальное отношение сигнал/шум на выходе. Эти фильтры называют оптимальными.
Оптимальный фильтр применяется для обнаружения или разделения детерминированных сигналов. Критерием оптимальности фильтра является максимально возможное значение пикового сигнала в отношении к среднему квадратичному значению помехи. Выбор этого критерия объясняется тем, что при обнаружении сигнала основная цель заключается в надежной фиксации факта присутствия сигнала.
Предположим, что действующий на входе фильтра сигнал S(t) имеет спектральную плотность S(ω). Помеха n(t) имеет спектр мощности W(ω). Тогда отношение синал/шум ρ можно определить как:

В результате аналитического исследования ф-ции ρ можно получить выражение для оптимального частотного коэффициента передачи фильтра:

где С – постоянный коэф.; S^*(ω) – спектральная плотность сигнала на входе в фильтр(комплексно-сопряженная); W(ω) – спектр мощности шума на входе в фильтр; t₀ – момент времени, соотв-й наибольшему значению сигнала в отношении к шуму на выходе фильтра.
В ряде устройств НК применяются фильтры, которые обеспечивают максимально возможное отклонение крутизны сигнала по отношению к заданному значению. Для определения частотного коэффициента передачи в этом случае анализируется не сам сигнал, а его производная. В этом случае частотный коэффициент передачи фильтра отличается от ранее рассмотренного только лишь постоянным коэффициентом.

Согласованные фильтры

Предположим, что на устройство обработки информации на протяжении некоторого времени действует сигнал S(t), являющийся информационным. Кроме того действует на устройство обр. информации помеха n(t), которая представляет собой белый шум с нормальным законом распределения плотности вероятности. Результирующий сигнал x(t), который принимается можно представить в виде функции неявного вида, зависящей от 2-х переменных x(t) = F(S(t),n(t)).

Линейный фильтр, на выходе которого формируется оптимальное отношение сигнал/шум при приёме детерминированного сигнала на фоне белого шума, называют согласованным фильтром. Частотный коэффициент передачи согласованного фильтра ( W(ω) = const = W0 ) можно вычислить: , где . Следует отметить, что согласованный фильтр можно использовать при приёме полностью известного сигнала на фоне помехи с произвольным спектром мощности. Для этого достаточно пропустить исследуемый сигнал через специальный линейный фильтр, который превращает помеху с произвольным спектром мощности в белый шум. Такой фильтр называют обеляющим. Частотный коэффициент передачи обеляющего фильтра:

где К – пост. коэффициент; W_вх(ω) – спектр мощности помехи на входе фильтра.
(т.е. это белый шум).

Включение обеляющего фильтра в тракт обработки сигналов изменяет частотный коэффициент передачи этого тракта.
Предположим, преобразование сигналов производилось трактом, который имел частотный коэффициент передачи K(jω). Данный тракт дополнен обеляющим фильтром. В результате шум на выходе тракта оказался белым, но суммарный частотный коэффициент передачи этого тракта при этом изменился:

Методы синтеза оптимальных фильтров. Синтез согласованного фильтра для прямоугольного видеоимпульса спектральным методом

Существуют различные подходы к синтезу оптимальных фильтров. Наиболее эффективным методом синтеза является спектральный метод, который основан на использовании выражения для частотного коэффициента передачи фильтра:
.
Для согласованных фильтров применяют как спектральный так и временной методы синтеза. Временной метод базируется на использовании связи между импульсной характеристикой фильтра и формой фильтруемого сигнала. При этом синтез согласованного фильтра состоит в построении такого линейного устройства, импульсная характеристика которого с точностью до постоянного коэффициента воспроизводила бы с некоторым запаздыванием функцию, являющуюся зеркальным отражением сигнала. Данный метод особенно удобен для сигналов симметричной формы. Зеркальное отражение сигнала совпадает с самим сигналом, что значительно облегчает синтез согласованного фильтра.
Рассмотрим синтез фильтра спектральным методом на примере прямоугольного видеоимпульса.

С математической т.зр. модель сигнала во временной области следующая:

Найдем спектральную плотность данного сигнала. Для этого воспользуемся прямым преобразованием Фурье:

Воспользуемся выражением для частотного коэффициента передачи согласованного фильтра:

Подставим в указанную формулу значение комплексно-сопряженной составляющей спектральной плотности сигнала, получим:

Полученное выражение является основой для синтеза оптимального фильтра. Предположим что максимальное отношение сигнал/шум формируется в момент окончания действия импульса на входе, т.е. t₀=τ_и. С учетом данного предположения получаем что частотный коэффициент передачи K(jω) будущего фильтра равен:

Постоянная величина K показывает, что сигнал усиливается. Оператор 1/jω называется оператором идеального интегрирования гармонического сигнала. Оператор показывает задержку сигнала на время t₀.

Оптимальная фильтрация по критерию минимума среднеквадратичной ошибки.

При решении задач измерения параметров сигнала, необходимо получать минимально искажённую информацию. Для этого применяют фильтры. Сглаживающий фильтр позволяет выделить сигнал на фоне шумов с минимальными искажениями. Чтобы предсказать поведение сигала во времени, применяют прогнозирующие фильтры. Для количественной оценки работы фильтра используют критерий минимума среднеквадратической ошибки:
, где - оценка сигнала в момент времени t, Δ – интервал прогнозирования сигнала.
Очевидно, при Δ > 0, оценка сигала даёт возможность предсказать значение сигнала S(t) на временной интервал Δ вперёд. При этом ошибку предсказания можно определить если известны корреляционные функции сигнала и шума.
Предположим на вход линейного фильтра действует смесь сигналов S(t) и аддитивного шума n(t). Необходимо определить характеристики фильтра, выходной сигнал которого минимально отличался бы от истинного значения сигнала в момент времени (t+Δ). Получим, что при Δ=0 имеет место сглаживающий фильтр; при Δ≠0 и n(t)=0 -- прогнозирующий фильтр, при Δ≠0 и n(t) ≠0 – сглаживающе-прогнозирующий фильтр.
Частотный коэффициент передачи такого фильтра:
,

где S_вх(ω) – спектральная плотность сигнала S(t), W_вх(ω) – спектр мощности помехи, Δ – интервал прогнозирования.
Выражение справедливо если сигнал и помеха независимы.
Т.о. можно создать фильтр, позволяющий спрогнозировать сигнал на определённый интервал времени Δ.

Неразрушающий контроль изделий и обнаружение сигналов. Обнаружение сигнала методом статистических решений

НК и обнаружение сигналов.
Основной задачей НК является предупреждение поступления в эксплуатацию полуфабрикатов и изделий, которые содержат дефекты. Применение неразрушающих методов контроля основано на анализе свойств дефектов. В ряде случаев сигналы появляются только при наличии дефектов. В других случаях сигнал присутствует всегда, а наличие дефекта имеется параметры этого сигнала (амплитуда, фаза, время прихода и е.д.) при этом сигнал, несущий информацию о наличии дефекта считается полезным. Приём полезного сигнала всегда осуществляется в условиях помех. Практически всегда при контроле проявляется реверберационная помеха, а также внешние шумы.
Задачи н.к. сводится к обнаружению сигнала на фоне шума случайного характера шума, а зачастую и случайный характер самого сигнала, приводит к тому, что при решении таких задач необходимо пользоваться теорией статистических решений. Подобные задачи называются задачами обнаружения.
Пусть устройством обнаружения принимается сигнал x(t). Фактическое наличие в принятом колебании x(t) полезного сигнала S(t) является неизвестным. С математической точки зрения принятое колебание S(t) можно записать так:

где Ө - случайное число, которое может принимать два значения 0 либо 1.
При обработки принятого сигнала необходимо оптимальным образом определить присутствует либо отсутствует в принятом сигнале x(t) полезный сигнал S(t). Другими словами, необходимо оценить значение параметров Ө. Задача такого плана называется задачей бинарного обнаружения. Состояние присутствия сигнала s(t) а, следовательно наличия дефекта в изделии обозначим A1; состояние отсутствия дефекта обозначим A0, устройство обнаружения сигнала может принять 2 решения: либо сигнал S(t) присутствует в принятом колебании x(t) и это состояние A1^*, либо отсутствует –A0^*. Возможно четыре варианта работы устройства обнаружения сигнала.
I: Дефект в изделии есть и устройство принимает решение, что дефект есть (правильное решение). Вероятность такой ситуации равна P(A1,A1^*)=P(A1)*P(A1^*/A1), P(A1^*/A1)- вероятность правильного обнаружения.
II: Дефект в изделии отсутствует и устройство обнаружения принимает решение об отсутствии дефекта.(правильное не обнаружение). Вероятность такой ситуации равна P(A0,A0^*)=P(A0)*P(A0^*/A0), P(A0^*/A0)- вероятность отсутствия дефекта.
III: Дефект в изделии отсутствует, а устройство принимает решение о его наличии. Возникает ошибка I рода, ситуация называется полной браковкой. Вероятность такой ситуации равна P(A0,A1^*)=P(A0)*P(A1^*/A0), P(A1^*/A0) - вероятность ложной тревоги.
IV вариант: Дефект в изделии имеется а, устройство обнаружения принимает решение об его отсутствии. (недобраковкой). Вероятность такой ситуации равна P(A1,A0^*)=P(A1)*P(A0^*/A1), P(A0^*/A1) - вероятность пропуска дефекта.

Обнаружение сигналов на фоне реверберационной помехи

Спектр мощ. реверберационной помехи в каждый момент времени с точностью до постоянных величины совпадает со спектром мощности зондирующего сигнала. Математически эта связь м.б. представлена следующим образом:
,
где Wp(ω) – спектральная мощность реверберационной помехи, а – постоянный коэффициент, S(ω) – спектральная мощность полезного сигнала.
С другой стороны, спектральная плотность сигнала, отраженного от дефекта тоже пропорциональна спектральной плотности зондирующего сигнала, мат-ки спектр. плот. сигн.
,
где τз – время задержки отраженного сигнала относительно исходного; к –const.
Известно, что для оптимального фильтра частотный коэффициент передачи определяется
,
где Sотр*(ω) –комплексно сопряженная плотность.
Найдем Копт:

Фильтр, который имеет указанный частотный коэффициент передачи называется обратным фильтром Урковица.
Фильтрация сигнала на фоне реверберационной помехи является затруднительным, т.к. связана с подавлением спектра полезного сигнала. Однако на практике реверберационная помеха действует вместе с другими помехами. Если спектр мощности всех остальных обозначить W0(ω), то суммарной спектр мощности W(ω)=W0(ω)+ Wp(ω).
Тогда частотный коэффициент передачи фильтра для обнаружения сигнала:

где С2=С∙К.

Полученное выражение частотного коэффициента передачи позволяет спектральным методом синтезировать фильтр для обнаружения сигналов на фоне совокупности помехи, включая и реверберационную помеху.

Последовательные обнаружители

В условиях неразрушающего контроля сигналы от дефектов поступают в течение некоторого времени. За это время на приемник поступает не один сигнал, а пачка сигналов. Наличие нескольких сигналов вызвано в первую очередь:
1) конечной протяженностью большинства реальных сигналов;
2) контролируемое изделие имеет конечные геометрические размеры, в результате этого пачка сигналов состоит из нескольких сигналов с различными параметрами (амплитуда, фаза и т.д.)
Задача обнаружения пачки сигналов решается по-разному. Методы, применяемые для обнаружения зависят от свойств пачки сигналов. Если зависимость между всеми параметрами сигналов входящих в пачку известна, то такая пачка сигналов называется когерентной, в противном случае – некогерентной.
Структурная схема обнаружения протяженных дефектов имеет вид:

1-фильтр, 2-амплитудный детектор, 3-интегратор, 4-пороговое устройство
1 производит оптимальную фильтрацию каждого импульса пачки. 2 выделяет огибающую в пачке импульсов. Полезный сигнал интегрируется в 3 и поступает на 4.
Сравнение сигнала на входе блока 4 с порогом y₀ позволяет принять решение о наличии дефекта A₁^*, либо об отсутствии дефекта A₀^*. Накопление сигналов может происходить как в аналоговой так ив цифровой форме.
Последовательные обнаружители.
Сущность подхода следующая: устанавливается два пороговых знания t1 и t2, и производится анализ отношения правдоподобия, т.е. сравнения расчетной величины отношения правдоподобия с пороговыми значениями t1 и t2.
; t1>t2;

Если в результате анализа отношения правдоподобия рассчитывается значение t, то оно может соотноситься с пороговыми значениями t1 и t2 следующим образом:
1) t > t₂ – наличие сигнала;
2) t₁ < t < t₂ – недостаточность исходных данных;
3) t < t₁ – наличие только помехи
Преимуществом такого способа является то, что совершенно независимо можно задавать сигнал тревоги P(A₁^*/A₀), вероятность правильного обнаружения P(A₁^*/A₀).
Кроме того, экономия во времени будет тем больше, чем меньше значение вероятности ложной тревоги. Недостатком является необходимость достаточно сложной аппаратуры для принятия решений.

Основные параметры и характеристики систем ОИ. Обобщённая методика расчёта систем ОИ

Расчет системы обработки информации включает в себя:
1 составление структурной схемы устройства преобразования сигналов с указанием источников шумов;
2 расчет частотных коэффициентов каждого узла системы обработки сигналов и общего частотного коэффициента передачи;
3 расчет спектра входного сигнала;
4 расчет спектра на выходе устройства обработки сигналов;
5 расчет значений действующих шумов в тракте обработки сигналов;
6 расчет необходимого значения сигнал/шум и порогового уровня принятия решения по заданным параметрам обнаружения дефектов;
7 расчет основных параметров устройства обработки сигналов по требуемому отношению сигнал/шум;
8 расчет пороговой чувствительности;
9 расчет информационного содержания сигнала на выходе устройства;
10 расчет коэффициента полезного действия, системы обработки информации.

Варианты задания исходных данных для определения параметра обнаружения

Расчет необходимого соотношения сигнал/шум и порогового уровня принятия решения необходимо производить в зависимости от вида исходных данных:
1. допустимым значением вероятности ложной тревоги Р_л.т.;
2. средней частотой N_л.т. или средним периодом T_k_._n_.=1/ N_л.т. появления ложной тревоги;
3. вероятностью появления хотя бы одной ложной тревоги за время наблюдения Т_н (обычно используется при редких ложных тревогах).
1) Если задано значение вероятности ложной тревоги Рл.т., то рассчитывается величина:

где Х₀ – пороговое значение сигнала; ² – дисперсия действующего шума. По таблицам интеграла вероятности находится относительный порог ρ_п который и устанавливает необходимое значение сигнал/шум на выходе устройства обнаружения. Он называется параметром обнаружения.
2) Если задана средняя частота появления ложных тревог, то для расчета требуемого порогового отношения сигнал/шум пользуются формулой:

где_п – средняя квадратичная круговая частота пересечения помехой на выходе фильтра нулевого уровня.
3) Если задана допустимая вероятность появления хотя бы одной ложной тревоги за определенное время наблюдения Т_н, то для расчета необходимого порогового соотношения сигнал/шум используют формулу:
.

Частотные коэффициенты передачи основных звеньев приборов НК

К_о(j) – оптической системы; К_фп(j) – фотоприемника;
К_н(j) – нагрузочной цепи; К_у(j) – усилителя;
К_рег(j) – регистрирующего прибора.
В информационных и измерительных приборах спектры входного и выходного сигналов связаны частотным коэффициентом передачи, который, в общем случае, равен произведению частотных коэффициентов каждого отдельного звена системы.
Любое устройство содержит, как правило, несколько дискретных элементов, каждый из которых оказывает влияние на проходящий сигнал, при этом могут возникать помехи (шум). Спектральные плотности шумов на выходе схемы зависят от места их приложения и определяются частотным коэффициентом передачи участка цепи между точкой приложения и выходом.
Рассмотрим в качестве примера оптико-электронный прибор (ОЭП).
Расчет частотных коэффициентов каждого узла производится по формулам, которые учитывают принцип работы оптической системы, тип фотоприемника и его инерционные свойства, тип нагрузочной цепи, а также вид электронного тракта обработки и усиления сигналов.
Расчет общего частотного коэффициента передачи производится путем перемножения полученных функций.

Методика расчета параметров оптической системы прибора по требуемому отношению сигнал/шум

До поступления в оптимальный фильтр системы обнаружения полезный сигнал проходит через фотоприемник, нагрузочную цепь и предварительный усилитель. Спектр полезного сигнала на входе в оптимальный фильтр составит
Спектральная плотность входного сигнала S_вх() определяется видом используемого источника излучения (точечный, протяженный и др.) и зависит прежде всего от площади входного зрачка или углового поля зрения прибора.
Найдем теперь уравнение, связывающее спектральную плотность мощности помех W_вх,Ф() на входе в оптимальный фильтр с параметрами оптической системы.
Внешние помехи обычно зависят от параметров оптической системы и обусловлены, как правило, радиационным и фотонным шумами. Радиационные и фотонные шумы возникают вследствие статистического характера потока излучения, представляющего случайную совокупность потока квантов энергии электромагнитного поля.
Радиационные и фотонные внешние помехи при частотах менее 10¹⁰ Гц можно считать белыми шумами, мощность которых постоянна во всей области рассматриваемых частот.
Спектральная плотность мощности радиационных и фотонных помех, приведенных ко входу в оптимальный фильтр, определяется выражением, справедливым для обоих случаев:

К внутренним шумам, зависящим от параметров оптической системы, относятся шумы, генерируемые в самих фотоприемниках и зависящие от протекающего в них тока. К ним относятся дробовые, токовые и генерационно-рекомбинационные шумы. Сюда же относятся тепловые шумы. Состав и количественные параметры спектральных плотностей мощности этих шумов зависят от типа применяемого фотоприемника. Тогда:
.
Расчет необходимого соотношения сигнал/шум и порогового уровня принятия решения необходимо производить в зависимости от вида исходных данных: допустимого значения вероятности ложной тревоги, средней частоты или среднего периода появления ложной тревоги или вероятности появления хотя бы одной ложной тревоги за определенное время наблюдения. При этом будет найден пороговый уровень принятия решения о наличии дефекта. Увеличивать вероятность правильного обнаружения дефекта можно за счет выбора значения соотношения сигнал/шум большего, чем пороговое значение. В этом случае необходимо рассчитать вероятность правильного обнаружения, пользуясь таблицей интеграла вероятности.
Допустимые параметры ложных тревог могут быть заданы тремя способами.

Выбор полосы пропускания, расчёт пороговой чувствительности, КПД системы первичной обработки информации (на примере оптико-электронного прибора)

Полоса пропускания электрического тракта зависит, прежде всего, от спектров полезного сигнала и помех, а также требований, предъявляемых к динамике процесса обнаружения дефекта.
Для многих практических целей, когда критерием качества работы прибора НК является среднеквадратическая погрешность измерения, пользуются значениями эквивалентной нулевой полосы пропускания. Её рассчитывают по величине среднеквадратической погрешности, обусловленной внутренними шумами, имеющими спектр мощности W_ш(ω).

где Q_с - энергия сигнала. Другой путь нахождения полосы пропускания: Представляя отношение сигнал/шум ρ. На выходе прибора НК через спектры сигнала и шумов и через частотные характеристики отдельных звеньев прибора, можно продифференцировать полученные выражения по частоте и решив уравнение dp/df=0 можно получить верхнее значение полосы пропускания.
Следует отметить, что при использовании модуляции сигнала в приборе, для каждого вида модуляции применяется своя методика определения полосы пропускания.
Расчет пороговой чувствительности.
Для систем обнаружения пороговая чувствительность обычно определяется как значение входного сигнала, обеспечивающего заданное отклонение сигнал/шум ρ₀. Иными словами, приходящий на входной зрачок световой поток Ф_пад должен превышать порог чувствительности системы обнаружения дефектов в ρ₀ раз.

Используя последнее выражение можно записать

Расчет КПД системы первичной обработки информации.

КПД определяет, какая доля полезного сигнала, попадающего на вход прибора, используется для создания выходного сигнала.
КПД зависит от ряда факторов. Важнейшими из них являются потери потока в оптической системе, поте при модуляции и обработки, потери из-за отсутствия надлежащего согласования параметров приёмника с параметрами оптической и энергетической системы.
В результате можно записать:,
где η₀ - часть потерь в оптической системе; k_M - часть потерь при модуляци

и; η_СТ- часть потерь из-за несогласованности характеристик Коэффициент k_M учитывает потери измерения при модуляции прерыванием и потери излучения. За счет изменения спектра и дальнейшим использованием лишь его части. Для различного вида модуляций коэффициент k_M различен. Коэффициент η_СТ учитывает возможные несоответствия между площадью чувствительного слоя ФП и площадью сечения пучка в месте установки этого слоя. При разработке систем обнаружения дефектов стремятся, чтобы размер площади чувствительного слоя был больше чем площадь сечения пучка. Другой составляющей является коэффициент К_ш, учитывающий соотношение между шумом электронной системы, приведенным к приемнику и собственным шумом приемника.
;

Коэффициент η_СТ учитывает и тот факт, что при выполнении модуляции на рабочей частоте уровень шума может отличаться от паспортных значений. Это получается за счет того, что модуляция производится на частоте отличной от частоты паспортизации.

Шпаргалки по основам проектирования приборов и систем

2014-11-02T10:25:11Z

Информационно-измерительные системы

ИИС - совокупность функционально-объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств получения измерительной информации, её преобразования, обработки в целях предоставления потребителю (в том числе ввода в АСУТП - автоматическая система управления технологических процессов) в требуемом виде, либо в целях автоматического осуществления логических функций измерения, контроля, диагностики и идентификации.

В зависимости от выполняемых функций ИИС делятся на следующие виды:

· Измерительные системы (ИС);

· Системы автоматического контроля (САК);

· Системы технической диагностики (СТД);

· Системы распознавания образцов (СРО);

· Телеизмерительные системы (ТИС);

Назначение любой ИИС, необходимой функциональной возможности технические и другие характеристики, в решающей степени определяется объектом исследования, для которой создаётся данная система.

Рассмотрим систему контроля температуры расплавленных металлов в электросталеплавильной печи. Она включает в себя:

1 – электромагнитная волна;

2 – оптическая система;

3 – оптически прозрачное стекло;

4 – фокусирующая линза;

5 – входной торец оптического волокна;

6 – оптическое волокно;

7 – измерительный блок;

8 – операционный усилитель;

9 – аналогово-цифровой преобразователь;

10 – микропроцессор;

11 – жидкокристаллический индикатор.

Рис. 1. Система контроля расплавленных металлов в электросталеплавильной печи.

Назначение волоконно-оптического кабеля состоит в том, чтобы развести на расстояние друг от друга измерительную часть и оптическую систему с тем, чтобы высокая температура печи не влияла на показание прибора.

Назначение ИИС можно определить как целенаправленное введение измеряемого процесса и как обеспечение смежного уровня достоверная информация.

Смысл сказанного поясним на системе контроля газов и нефтепродуктов. Например: газоконденсатный завод. Имеется n-ое количество скважин, по трубам поступает конденсат и идет к установке.

Рис. 2. Газоконденсатный завод.

Где, 1 - земля, 2 – труба, 3 – установка переработки газоконденсата, Т – температура, Р – давление, Q – расход, МК – микроконтроллер.

Данные отображаются на центральном компьютере, хранятся в памяти и параллельно передаются в город.

Основными функциями ИИС являются:

· Получение измерительной информации от объекта исследования;

· Обработка;

· Передача информации оператору или ЭВМ;

· Запоминание в БД;

· Управление и формирование управленческих воздействий.

Формирование управленческих воздействий осуществляется в информационно-измерительных и управленческих системах.

Рассмотрим это на примере :

ИИС оптимизируются по многим частичным критериям:

· Помехоустойчивость;

· Точность;

· Надежность;

· Пропускная способность;

· Адаптивность;

· Сложность.

Информационно-измерительная техника (ИИТ) – это наука, связанная с измерением различных физических величин, методами повышения точности измерительных устройств и систем, преобразованием и обработкой измерительной информации и ее отображением.

Основные характеристики приборов и датчиков.

Любой прибор представляет собой совокупность функционально-соединенных элементов: первичного преобразователя физических величин (или датчиков), усилителя, аналогового цифрового преобразователя (и устройства) отображения информации (как правило жидкокристаллического индикатора или дисплея, размещенных в корпусе.). Как правило, чаще всего первичный преобразователь прибора для измерения температуры выполняется в виде выносного щупа, соединенного с измерительным прибором посредством провода.

Первичный преобразователь (далее преобразователь) – это элементарное устройство, обеспечивающее функциональное преобразование одной физической величины в другую, удобную для дальнейших операций.

Рассмотрим структурную схему прибора для измерения температуры.

Рис. 4. Структурная схема прибора для измерения температуры.

Датчик-совокупность первичного преобразователя и отдельных звеньев структурной схемы, расположенных за ним. Например, преобразователь и усилитель или преобразователь, усилитель, АЦП. Отличительной частью прибора всегда является наличие шкалы или в электронных приборах обязательно наличие индикатора (ЖКИ).

Если в рассмотренной выше структурной схеме прибора результаты измерения температуры будем подавать с выхода АЦП, пошлем в ЭВМ, то это означает, что мы имеем не прибор, а систему, состоящую из датчика и компьютера.

Система – это совокупность функционально-объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях предоставления потребителю в требуемом виде для автоматического осуществления логических функций, измерения, контроля, диагностики и т.д.

Основные характеристики преобразователей:

1. Статическая характеристика – зависимость выходной величины преобразователя А от изменения входной величины Х.

Статическая характеристика может быть задана:

· Аналитически в виде формул: A= f (x);

Х	0	0,1	0,2
А	0	2	7

· Графически:;

· Таблично:

Большинству преобразователей предъявляются требование линейности статической характеристики.

2. Диапазоны изменения входной и выходной величин. Любой преобразователь имеет нижний и верхний предел изменения входной величины.

Где, X_Iи A_I – нижние пределы изменения входной и выходной величин; X_I_I и A_II – верхние пределы изменения входной и выходной величин; D_X= X_I… X_I_I и D_А= А_I… А_I_I– диапазоны изменения входной и выходной величин.

3. Чувствительность – это степень изменения выходной величины от входной:

Для линейной статической характеристики чувствительность определяется так:

, ;

, .

Вышерассмотренное определение чувствительности применительно к случаю, когда статическая характеристика возрастает.

Для случаев убывающей характеристики чувствительность определяется:

4. Порог чувствительности - это наименьшая входная величина, при которой на выходе преобразователя появляется достаточная для дальнейших операций (преобразований) выходная величина.

Предположим, преобразователь, на выходе – усилитель:

Порог чувствительности преобразователя определяется чувствительностью последующего преобразователя.

5. Степень нелинейности статической характеристики.

Степень нелинейности показывает насколько статическая характеристика отличается от линейной. Существуют аналитические и графические методы определения степени нелинейности.

Аналитический метод определения степени нелинейности полностью отображает графический, но с использованием математических методов.

Рассмотрим графический метод определения степени нелинейности.

, где A=f(x) – статическая характеристика.

Определение степени нелинейности графическим путем включает в себя следующие этапы:

1) Соединяются прямой линией I-II предельные точки статической характеристики I и II;

2) Проводятся касательные к статической характеристике в точках ее перегиба, параллельные линии I-II;

3) Определяются отклонения касательных в точках перегиба от линии I-II по оси ординат (по вертикале);

4) Находим степень нелинейности по формуле:.

Рассмотрим частные случаи:

1) , ;

2) ,.

Динамические характеристики

Динамическая характеристика преобразователя – это зависимость выходной величины от изменения входной величины, зависящая от скорости и ускорения.

Рассмотрим динамические характеристики в графической интерпретации для случаев скачкообразного и плавного изменения входной величины.

1. Входная величина изменяется скачкообразно:

Режимы:

1 – затухающие периодические колебания;

2 – апериодический режим;

3 – режим критического успокоения.

Наиболее эффективным является режим 3, так как в нем время успокоения выходной величины, характеризующий динамический процесс, t_q₁ – минимальное. Время успокоения выходной величины в режимах 1 и 2 t_q₂ значительно выше.

2. Входная величина изменяется периодически. При этом выходная величина изменяется также периодически, но с некоторым отставанием по фазе и с разной амплитудой, зависящей от частоты изменения входной величины.

Наиболее удобно показать это на амплитудно-фазовой плоскости в виде амплитудно-фазовых характеристик (АФХ):

, где

φ – это фаза между изменениями входной и выходной величин;

ω - частота изменения входной величины;

А – амплитуда изменения выходной величины.

По АФХ нетрудно построить аплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и фазо-частотную характеристику (ФЧХ):

- АЧХ, - ФЧХ.

Коэффициент эффективности преобразователя.

х – входная величина преобразователя;

А – выходная величина преобразователя;

Р₁^I – та часть мощности, которая поступает на вход преобразователя вместе с входной величиной;

Р₁^II – входная мощность от дополнительного источника энергии;

Р₂ – выходная мощность;

Р_S – потери.

; ;

- коэффициент эффективности;

; .

Преобразователи перемещения (ПП).

ПП - предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал.

Существует большое разнообразие типов преобразователя перемещений по принципу действий, то есть по использованным физическим эффектам или явлениям: индуктивные, трансформаторные, электромашинные (сельсин, индуксин), ультразвуковые, оптические, волоконно-оптические, лазерные и т.д.

Индуктивный преобразователь перемещения.

Диапазон измеряемых перемещений индуктивных преобразователей мал: от 0 до 5 мм (для линейных перемещений) или 0-5 угловых минут (для угловых перемещений).

Достоинством индуктивных преобразователей является их высокая надежность, достаточно высокая точность и возможность использования при высоких температурах (до +300°С).

Индуктивные преобразователи бывают одинарные и дифференциальные.

Рассмотрим одинарные преобразователи.

Ф=IW²G, где W – число витков обмотки;

, где μ₀=4π*10^-7Гн/м=12.56*10^-7Гн/м.

Поток Ф пронизывает обмотку и наводит в ней ЭДС взаимоиндукции Е_U_в=-jωФW=-jωIW²G.

Эту же ЭДС можно рассматривать как ЭДС самоиндукции. Из курса ТОЭ известно, что ЭДС самоиндукции: Е_U_с=-jωLI, где L – индуктивность обмотки.

Учитывая, что Е_U_в= Е_U_с, приравнивая правые части выражений для Е_U_в и Е_U_с, получаем катушки: L=W²G. Перепишем по другому,

. Статическая характеристика одинарного индуктивного преобразователя носит нелинейный характер и выглядит следующим образом:

Недостатками одинарных индуктивных преобразователей являются:

1) Нелинейность статической характеристики (линейный участок статической характеристики 0,15 от Xm);

2) Подверженность влиянию внешних магнитных полей;

3) Подверженность колебаниям температуры окружающей среды, которая влияет на геометрические размеры воздушного зазора и магнитную проницаемость μ₀.

Вследствие этого, одинарный индуктивные преобразователи не применяются, а используются дифференциальные индуктивные преобразователи.

Дифференциальный индуктивный преобразователь.

Дифференциальный индуктивный преобразователь представляет собой два, установленных навстречу друг другу, одинарных преобразователя с одинарным индуктивным преобразователем.

В идеале симметрично установленные системы должны быть одинаковы.

Достоинствами дифференциального индуктивного преобразователя являются:

1) Больший линейный участок статической характеристики (0.3÷0.4)δ₀=∆δ, а если учесть, что статическая характеристика дифференциальная, то есть в обе стороны от нуля, то участок составляет (0.6÷0.8)δ;

2) При идеальной симметрии магнитной системы влияние магнитных полей на левую и правую части магнитной системы компенсируются. В итоге, погрешность равна нулю.

3) Точно также происходит компенсация влияния температур и температурная погрешность равна нулю.

Вследствие этих причин, применяются только дифференциальные индуктивные преобразователи.

Магнитооптические датчики.

Действие их основано на магнитооптическом эффекте. Магнитооптический эффект- изменение оптических свойств вещества в зависимости от его намагничиваемости или от приложенного к нему магнитного поля.

Под оптическими свойствами следует понимать отражение, пропускание, поляризацию света и другие явления. Среди магнитооптических эффектов с изменением отражения или пропускания света различают эффект Фарадея и эффект Керра.

Вещества, в которых наблюдается магнитооптический эффект, называются магнитооптическими материалами. К ним относятся диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Среди них на практике особенно важны диамагнетики. Такие как, свинцовое стекло (структура аморфная), а также висмут содержащие - Bi₁₂GeO₂₀, Bi₁₂SiO₂₀(структура кристаллическая, кубическая).

Достоинствами висмут содержащих является слабая температурная зависимость характеристик.

Магнитооптический эффект Фарадея заключается в том, что под воздействием магнитного поля, вектор напряженности которого совпадает с направлением света, наблюдается поворот плоскости поляризации линейнополяризованного света, проходящего через вещество. Этот поворот плоскости поляризации на угол φ называют фарадеевским вращением.

Угол фарадеевского вращения φ при напряженности магнитного поля Н и длине взаимодействия L (длине светового пути в магнитооптическом веществе) выражается формулой: φ=vHL, где v – постоянная Верде, характеризует активность эффекта Фарадея в данном веществе.

Все вышеперечисленные магнитооптические материалы характеризуются различным значением постоянной Верде. По сути постоянная Верде является чувствительностью магнитооптического материала, так как чем она выше, тем на больший угол при прочих равных условиях осуществляется поворот плоскости поляризации света при одном и том же значении напряженности магнитного поля.

Как правило, при построении магнитооптических приборов стараются выбрать вещество, обладающее высоким значением постоянной Верде. Одним из таких материалов является эпитаксиальные пленки.

Рассмотрим схему наблюдения магнитооптического эффекта Фарадея:

1)-2)-3) – условные обозначения;

1 – источник света в виде лазера или лазерного диода;

2 – поляризатор;

3 – магнитооптическая ячейка Фарадея;

4 – магнитная силовая линия какого-то источника магнитного поля;

5 – вектор напряженности магнитного поля в точке А;

6 – анализатор;

7 – приемник оптического излучения (например, лавинный фотодиод);

8 – это n-ое число плоскостей поляризации луча когерентного света (на рис. а);

J₀ – интенсивность света источника излучения;

J_М – интенсивность света на выходе анализатора, функционально-связанная с углом фарадеевского вращения φ по закону Малюса.

Свет на выходе источника излучения является когерентным. На выходе поляризатора имеем луч света, поляризованный только в одной плоскости.

Магнитооптические датчики магнитного поля.

1 – источник света в виде лазера или лазерного диода;

2 – поляризатор;

3 – магнитооптическая ячейка Фарадея;

4 – магнитная силовая линия какого-то источника магнитного поля;

5 – вектор напряженности магнитного поля в точке А;

6 – анализатор;

7 – приемник оптического излучения (например, лавинный фотодиод);

8 – это n-ое число плоскостей поляризации луча когерентного света (на рис. а);

9 – преобразователь тока I_Э в напряжение U;

10 – АЦП;

11 – микроконтроллер, содержащий в своей структуре порты ввода-вывода, микропроцессор и т.д. (усилитель, АЦП);

12 – ЖКИ;

13 – клавиатура управления;

14 – запись на носитель информации;

15 – при необходимости, канал передачи информации через интернет;

J₀ – интенсивность света источника излучения;

КС – корректирующий сигнал;

J_М – интенсивность света на выходе анализатора функционально-связанная с углом фарадеевского вращения φ по закону Малюса.

Магнитооптический эффект Фарадея проявляется в оптически-активных средах (магнитооптических материалах), которые могут быть в виде магнитооптической ячейке Фарадея (как в вышерассмотренном примере), феррит-гранатовых пленок или эпитаксиальных пленок.

Помимо этого, магнитооптический эффект Фарадея проявляется и в оптических волокнах, которые свернуты в виде витка или намотаны в виде катушки.

Фарадей открыл, что во многих материалах круговое двулучепреломление (магнитооптических материалах) возникает под действием приложенного магнитного поля. Следовательно, можно измерять магнитное поле, используя линейнополяризованное излучение и измеряя величину кругового двулучепреломления, возникающего в определенных материалах под воздействием внешнего магнитного поля. Именно этот механизм в волоконно-оптических датчиках магнитного поля, основанных на эффекте Фарадея.

Статическое круговое двулучепреломление прямого отрезка круглой сердцевины оптического волокна обычно достаточно мало.

Однако присутствие напряженности магнитного поля H, возникшее в волокне круговое двулучепреломление повернет плоскость поляризации линейнополяризованного излучения на угол θ=V∫Hdl. Здесь, V – постоянная Верде, являющаяся мерой интенсивности проявления эффекта Фарадея в волокне.

Интегрирование выполняется по длине волокна, подвергнутого воздействию поля Н. Величина V зависит от состава материала волокна и оптической длины волны λ; намного она слабее зависит от температуры диэлектрического вещества волокна.

Примечательным свойством вращения под воздействием эффекта Фарадея является его зависимость от направления распространения. Свет, распространяющийся в одном направлении, подвергается вращению на угол θ; свет, двигающийся в противоположном направлении, подвергается вращению на угол –θ. Эту зависимость можно использовать в разъединителях мощности, как на оптических, так и на микроволновых частотах. С другой стороны, она может являться помехой в таких устройствах, как волоконно-оптические датчики вращения, основанные на исключении всех источников такой зависимости. Паразитное магнитное поле может действенно влиять на датчик через эффект Фарадея и искажать выходной сигнал.

Рассмотрим волоконно-оптические датчики электрического тока на основе одномодового оптического волокна.

1 – лазер;

2 – поляризатор;

3, 7 – линза;

4 – оптоволокно;

5 – виток из оптоволокна;

6 – провод;

8 – анализатор;

9 – фотодиод;

10 – АЦП;

11 – ЖКИ.

В общем случае при измерении тока N витков волокна намотано либо на каркас либо на проводник с током, внутри которого расположен проводник с током i. В соответствии с законом Ампера, линейный интеграл магнитного поля θ=V∫Hdl сводится к формуле θ=VNi.

В рассматриваемой нами схеме датчика электрического тока на входе в одномодовое волокно поляризатор создает линейнополяризованное излучение. Анализатор же (тот же поляризатор) устанавливается под фиксированным углом по отношению к входному поляризатору. Чтобы поддерживать строго определенное состояние поляризации на всем протяжении используется одномодовое волокно. Если анализатор установлен под углом ±45° по отношению к поляризатору, то мощность излучения (интенсивность J) на приемнике определяется как: P=P₀/2(1±sin2 θ), где P₀/2 – средняя оптическая интенсивность на приемнике.

Для небольших углов эта формула может быть преобразована следующим образом: P=P₀/2(1+2VNi).

Из последней формулы следует, что интенсивность (мощность) является линейной функцией тока.

Акустооптические датчики

Действие акустооптических датчиков основано на использовании акустооптического эффекта (АОЭ).

АОЭ – это явление дифракции, преломления, отражения или рассеяния света на периодических неоднородностях среды (зонах с разными показателями преломления), вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. Периодическое чередование неоднородности среды ''работает'' как дифракционная решетка, изменяющая направление светового луча.

АОЭ бывают двух типов. При низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта (длине взаимодействия) L ультразвуковой волны (УЗ-волны) возникает дифракция Рамана-Ната. А если частота ультразвука высока и длина взаимодействия велика, то происходит дифракция Брэгга.

Условие возникновения дифракции Рамана - Ната имеет следующий вид: λL/Λ²«1.

Условие возникновения дифракции Брэгга имеет следующий вид: λL/Λ²>1. Здесь λ - длина волны света;Λ- длина УЗ-волны; L- длина взаимодействия.

1. Акустооптический эффект Рамана-Ната:

1 – акустооптическая ячейка;

2 – периодические неоднородности среды, возникающие в акустооптическом материале при прохождении УЗ-волны;

3 – луч света;

Λ, ω – длина волны и частота оптического излучения;

4 – УЗ-волна длиной Λ и частотой Ω;

5 – пьезоизлучатель УЗ-волны;

6 – радиочастотный генератор;

ФД – фотодиод;

ПТН – преобразователь тока и напряжения!!!;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

ЖКИ – жидкокристаллический индикатор;

7 – демпфер-поглотитель УЗ-волны.

При дифракции Рамана-Ната световая волна, попадая на периодическую неоднородность, распадается на спектр мод света порядка 0, +1, +2, -1, -2. Из них используются +1, -1, так как сигнал наибольший.

Если нарисовать в схеме наблюдения ФД, АЦП и ЖКИ, то получим акустооптический преобразователь перемещения, у которого подвижным элементом акустооптическая ячейка, перемещающаяся вместе с генератором вверх или вниз относительно лазера, ФД и т.д.

2. Акустооптический эффект Керра:

1 – акустооптическая ячейка;

2 – периодические неоднородности среды, возникающие в акустооптическом материале при прохождении УЗ-волны;

3 – световая волна;

Λ, ω – длина волны и частота оптического излучения;

4 – УЗ-волна длиной Λ и частотой Ω;

5 – пьезоэлемент;

6 – генератор радиочастоты;

ФД – фотодиод;

i – ток на выходе ФД;

ЛД – лазерный диод;

ПТН – преобразователь ток-напряжения;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

ЖКИ – жидкокристаллический индикатор;

7 – демпфер;

УК – управляющая клавиатура;

УС – управляющий сигнал;

МК – микроконтроллер;

Запись – запись информации на носитель;

Int – передача информации на расстоянии.

Суть эффекта Керра заключается в следующем: луч лазера, излучаемый лазерным диодом, отражается от периодической неоднородности только лишь при определенном угле, характерным для акустооптических материалах. Этот угол называется углом Брэгга θ_В. При всех остальных углах падения светового луча не отражается.

Обязательным условием возникновения рассматриваемого эффекта Керра, так же как вышерассмотренного эффекта Рамана-Ната, является наличие УЗ-волны, излучаемая пьезоэлементом.

При дифракции Брэгга: θ_В=θ=sin(λ/2Λ).

Эффективность дифракции Брэгга выше, чем эффективность дифракции Рамана-Ната. При дифракции Рамана-Ната отношение интенсивностей отраженного угла одной из мод к интенсивности падающего луча характеризует эффективность и составляет 33.9%. При дифракции Брэгга отношение интенсивности отраженного луча к интенсивности падающего луча близко к 100%, что очень важно для практического использования. Частота генератора 100МГц.

Материалы, в которых имеет место АОЭ, носят название акустооптических материалах.

К ним предъявляются следующие требования:

1) рассеяние, поглощение света должны быть незначительны;

2) постоянные фотоупругости и коэффициент преломления велики;

3) поглощение и скорость звука малы.

Среди жидкостей наиболее удовлетворяет перечисленным требованиям вода, которая используется в большинстве экспериментов. Среди твердых тел наиболее удобны для использования различные стекла и кристаллы.

АОЭ применяется для построения преобразователя перемещения, газоанализаторов, концентратомеров жидких сред, измерителей расстояния, расщепителя светового луча и т.д.

Достоинством АО датчиков является высокая чувствительность, так как они являются, по сути, спектрометрами.

Электрооптические датчики (ЭОД).

Действие электрооптических датчиков основано на электрооптическом эффекте (ЭОЭ).

ЭОЭ – это изменение коэффициента преломления некоторых материалов под действием электрического поля.

Материалы, обладающие такими свойствами, называют электрооптическими материалами.

Электрооптические эффекты бывают двух видов:

1. Линейный электрооптический эффект Поккельса, при котором коэффициент преломления линейно зависит от силы электрического поля, приложенного к кристаллу, не имеющему внутренней симметрии: n₁=k₁U. Эффект Поккельса имеет место в пьезокристаллах.

2. Квадратичный электрооптический эффект Керра, при котором коэффициент преломления пропорционален квадрату силы поля вещества с внутренней симметрией: n₂=k₂U².

Эффект Покельса проявляется в кристаллах необата лития LiNbO3- кристалл сегнетоэлектрика. Эффект Керра имеет место в нитроглицерине, сероуглероде.

ППЛС – плоско поляризованный луч света.

В технике часто используют эффект Поккельса из-за хорошей линейности.

Рассмотрим схему наблюдения ЭОЭ Поккельса.

Электрическое поле создает в электрооптическом веществе анизотропию (неодинаковость свойств материалов в разных направлений), порождающую двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление изменяет поляризацию световой волны. А изменение поляризации широко используется в технике и, в частности, в ЭО датчиках.

На рисунке а и б показана структурная схема наблюдения электрооптического эффекта Поккельса (рис. а) и модуляции света при прохождении светового луча (рис. б). Под действием приложенного к электрооптическому кристаллу электрического поля становятся различными коэффициенты преломления по трем осям кристалла: ось z-оптическая ось, а оси x и y образуют с плоскостью поляризации углы в 45°. Неполяризованный свет лазерного диода(I) приобретает линейную поляризацию(II) после прохождения входного поляризатора П.

Линейно поляризованный свет(II) можно представить в виде двух составляющих x и y, имеющих одинаковые фазы. Когда электрическое поле отсутствует, направление поляризации света после прохождения через кристалл сохраняется и анализатор А, расположенный перпендикулярно входному поляризатору, не дает свету выйти из прибора. Если к кристаллу приложить электрическое напряжение, в нем создается электрическое поле напряженностью Е и, вследствие анизотропии, изменяется коэффициент преломления по осям x и y. Это приведет к различию составляющих скорости света вдоль этих осей и, в свою очередь, к различию фаз проходящего света по составляющим x и y. Разность фаз будет нарастать по мере прохождения света через кристалл. На выходе из кристалла результатом суммирования колебаний по составляющим x и y будет эллиптическиполяризованный свет (III). При этом только часть энергии выйдет из прибора через анализатор-энергия колебаний, имеющих плоскость поляризации, параллельную заданной анализатором.

Значит можно модулировать амплитуду световых волн при помощи электрического напряжения. Если разность хода по составляющим x и y станет равной ½ длине волны, то свет на выходе из кристалла станет линейно поляризованным в направлении, перпендикулярном поляризатору на входе, и интенсивность излучения станет максимальной (IV – линейная поляризация света после анализатора) .

Напряжение, дающее этот эффект, называют полуволновым.

В ЭО модуляторе удобнее использовать материалы с малым полуволновым напряжением.

Световая мощность на выходе анализатора определяется по формуле:

P=P₀[1+sinπ(U/U_π)], где Р₀ – мощность света, излучаемого лазерным диодом; U – измеряемое напряжение; U_π – полуволновое напряжение.

Рассмотрим структурные схемы ЭО датчиков для измерения электрического напряжения:

Контактные методы и средства измерения температуры.

Для измерения температуры контактными методами используются следующие датчики:

1) металлические термометры сопротивления (ТС);

2) термоэлектрические преобразователи (ТП) – термопары;

3) полупроводниковые термометры сопротивления – термисторы;

4) полупроводниковые интегральные сенсоры-датчики.

Термометры сопротивления.

Приборы и преобразователи на основе ТС используют зависимость сопротивления металла R_Tот температуры Т: R_Т= f (T). У чистых металлах эта зависимость практически линейная: R_Т= R₀(1+αT), где R₀ – сопротивление металла при 0⁰С; α – температурный коэффициент сопротивления в [⁰C^-1].

В свою очередь температурный коэффициент сопротивления определяется по формуле: α=(∆R/R)/∆T, где ∆R/R – относительное изменение сопротивления датчика при изменении температуры на ∆Т. Значение температурного коэффициента сопротивления α у современных ТС лежит в диапазоне: α=(0,003…0,006)1/⁰С, что соответствует приращению сопротивления примерно на (0,3…0,6)⁰С от исходного (номинального) значения при ⁰С при повышении температуры на 1⁰С.

Наиболее часто используемые материалы для ТС: медь (Т=(-50…+200)⁰С), платина (Т=(-250…+1000)⁰С).

Номинальное значение сопротивления ТС R₀ определяется конструкцией и материалом датчика в диапазоне (10…1000) Ом. Медные ТС выпускаются с различными R₀=(25…1000)Ом, а платиновые ТС с R₀ равными 25, 500 и 1000 Ом.

ТС состоят из собственного чувствительного элемента, защитного кожуха (чехла) и элементов крепления. Чувствительный элемент – это намотка из тонкой изолированной проволоки на диэлектрическом каркасе (стержня) из слюды, керамики и стекла.

Существуют ТС фольгового исполнения. Они обладают следующим достоинством – минимальная тепловая инерционность датчика. Фольговые (пленочные) ТС имеют в 5-10 раз меньшее время реакции (отклика), чем у проволочных ТС, что очень важно при работе с маленькими объектами в динамических измерениях при быстроизменяющейся температуре. Как правило, ТС включаются в мостовые схемы. Различают уравновешенные и неуравновешенные схемы.

Уравновешенные мосты.

Условие равновесия моста постоянного тока следующее: произведение сопротивлений противоположных плеч моста равны друг другу.

R₁*R₃=R₂*R_T, отсюда R₃=(R₂/R₁)*R_T=k*R_T, где k= R₂/R₁.

В свою очередь, R_Т= R₀(1+αT), R₃= kR₀(1+αT).

В мостах переменного тока условие равновесия отличается тем, что учитывается комплексный характер сопротивления.

НИ – нуль-индикатор, в качестве которого используются гальванометры (или цифровые вольтметры).

Ż₁ = z₁ e^-^jφ¹;

Ż₂ = z₂ e^jφ²;

Ż₃ = z₃ e^jφ³;

Ż₄ = z₄ e^jφ⁴.

Условие равновесия моста переменного тока:

1) произведение модулей противоположных плеч моста равны: z₁*z₃=z₂*z₄;

2) суммы фаз равны: φ₁+φ₃=φ₂+φ₄.

Неуравновешенные мосты.

Рассмотрим на примере автоматического моста для измерения температуры.

В автоматическом мосте термометр сопротивления ТС, обладающий сопротивлением R_T при температуре Т, включается в одно из плеч неуравновешенной мостовой схемы. В исходном состоянии мост уравновешен. При изменении температуры Т изменяется сопротивление R_T термометра сопротивления, который находится у объекта с измеряемой температурой. Это приводит к разбалансу моста и на его выходе появится напряжение ∆U. Это напряжение усиливается усилителем поступает на обмотку возбуждения реверсивного двигателя РД. РД начинает вращаться и через кинематическую передачу КП смещает подвижный элемент и регулировочное сопротивление R₃ таким образом, что мост приходит в состояние равновесия. И так повторяется при каждом изменении температуры. Кинематическая передача связана с пером П самопишущего механизма СМ, состоящего из рулонной бумаги РБ, которая наматывается от отдельного двигателя. Так осуществляется запись изменения температуры во времени.

Такие автоматические мосты достаточно громоские, неудобна сама система записи информации на РБ. Сейчас используются более современные термометры с микроконтроллером.

Цифровой термометр с микроконтроллером.

В данной системе будем использовать делитель напряжения.

1 – преобразователь постоянного напряжения в переменное;

НП – носитель памяти;

УК – управляющая клавиатура.

Выходной сигнал термопары – это постоянное напряжение, которое преобразуется в цифровой код.

Термопары могут быть подключены к вторичным измерительным приборам. Диапазон измеряемых температур термопарами Т=(-200…2000)⁰С.

Измерительные приборы на основе термопар обладают высокой точностью и чувствительностью, хорошей повторяемостью характеристик преобразования.

В основе работы термопар лежит термоэлектрический эффект, суть которого заключается в том, что если два проводника из различных металлов (сплавов) соединены в замкнутую цепь, причем температура одного соединения (спая) заметно отличается от температуры другого спая, то возникает термо-ЭДС Е_Т, которая зависит от разницы температур спаев и разницы характеристик проводников.

1 и 2 – разнородные материалы (металлы, сплавы); 3 – горячий спай; 4, 5 – холодные спаи.

В общем случае выражение для термо- ЭДС имеет вид:

E_T=f₁ (T₁) – f₂ (T₂).

Зависимость термо-ЭДС от разности температур спаев E_T=f (T₁ – T₂) нелинейная, но для малых диапазонов температур и при не очень высоких требованиях к точности измерения ее можно считать линейной, тогда значение термо – ЭДС можно определить по выражению:

E_T=S_T (T₁ – T₂).

Здесь S_T – чувствительность термопары (коэффициент преобразования). S_Tизмеряется в [мкВ/⁰С].

Для обеспечения однозначной зависимости E_T от Т₁ необходимо поддерживать постоянной и известную температуру Т₂. Обычно Т₂ равно 0⁰С или 20⁰С. Зная значение S_T и измерив Е_Т, можно определить температуру Т₁. Для обеспечения постоянства Т₁ холодные спаи помещают в термостат. Если же при изменениях температура Т₂ отличается от 0⁰С, то необходимо вводить поправочные коэффициенты.

Для повышения чувствительности термопар, то есть выходного сигнала термопары при одном и том же значении Т, используют термобатареи, в которых соединяют последовательно друг с другом термопары.

Е_Т=Е_Т1+Е_Т2+Е_Т3.

В соответствии с используемыми материалами существует несколько типов термопар:

1) хромель-константан (диапазон измеряемых температур:(-270…+1000)⁰С;коэффициент преобразования S_T=62мкВ/⁰С);

2) железо-костантан ((-210…+1000)⁰С; S_T=51мкВ/⁰С);

3) хромель-амомель ((-200…+1000)⁰С; S_T=40мкВ/⁰С);

4) платина-платинородий ((-50…+1500)⁰С; S_T=7мкВ/⁰С);

5) медь-константан ((-270…+400)⁰С; S_T=40мкВ/⁰С);

В России термопары хромель-константан и железо-константан не выпускаются.

Рассмотрим две схемы электронно-цифровых термометров с термопарой.

ТП – термопара;

АС – аналоговый сигнал;

ЦС – цифровой сигнал;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

МК – микроконтроллер;

ЖКИ – жидкокристаллический индикатор;

НП – носитель памяти;

УК – управляющая клавиатура.

Этот же цифровой термометр можно значительно упростить, если использовать термометр с усилителем и АЦП.

Термисторы

Термисторы – это полупроводниковый термометр сопротивления, имеющее значительно больший чем обычный ТС температурный крэффициент сопротивления α=(1…20)1/⁰С, причем знак этого коэффициента может быть положительный (у пазисторов), так и отрицательный (у термисторов). Это обеспечивает более высокую чувствительность термометров на их основе.

Достоинствами термисторов и пазисторов являются:

1) малые габариты и масса, следовательно теплоемкость и тепловая инерционность;

2) простота конструкции, надежность;

3) низкая цена.

Недостатками являются:

1) узкий диапазон измеряемых температур (-50…150)⁰С;

2) значительная нелинейность преобразования (с повышением температуры сопротивление повышается по экспоненте);

3) плохая повторяемость характеристик преобразования от образца к образцу, вследствие чего, необходима их индивидуальная градуировка ;

4) значительная временная нестабильность характеристик, особенно при работе на высоких температурах.

Интегральные полупроводниковые датчики.

Они обеспечивают получение выходного сигнала (U или I), практически линейно-зависящего от температуры.

Схема подключения интегрального датчика имеет вид:

Здесь принято следующее обозначение:

1 – интегральный полупроводниковый датчик;

2 – операционный усилитель;

3 – цифровой вольтметр.

Напряжение через усилитель подается на цифровой вольтметр или аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий это напряжение в цифровой код.

Чувствительность прибора составляет 10мВ/⁰С.

Рассмотрим схему цифрового термометра с использование интегрального полупроводникового датчика (ИПД):

Рассмотренные контактные методы измерения температуры позволяют конструировать электронно-цифровые термометры для измерения широкого диапазона температур от -200 до +2000 ⁰С.

Погрешность зависит не только от качества первичных измерительных преобразователей (датчиков), но и от организации линий связей датчик-измеритель и от характеристик вторичных преобразователей (усилителей, АЦП).

Погрешность составляет ±(0,2…1)%, а иногда ±(0,01…0,1)%. Чувствительность порядков долей ⁰С.

Таким образом, контактные методы и средства являются более точными по сравнению с бесконтактными.

Бесконтактные методы и средства измерения температуры.

Считается, что контактные средства измерения температуры (термометры, термопары) точнее, но на практике много случаев, когда они неприменимы, тогда используются бесконтактные методы измерения температуры. Например, измерение температуры металлургических процессов, измерение температуры в электрических контактах выключателей в электроэнергетике, в линиях электропередачи, в медицине, измерение температуры в буксов.

Бесконтактные методы измерения температуры основаны на использовании законов теплового излучения. Существуют два основных средства дистанционного измерения температуры:

1) оптические пирометры, которые измеряют температуру точки по его тепловому излучению;

2) тепловизоры, которые являются по сути измерительными приборами и измеряют температуру объекта на основании расшифровки термограмм-картин распределения температуры по поверхности объекта или тела.

Сейчас существуют тепловизоры, которые позволяют получать термограммы объектов как фотографическое изображение на экране приборов. Эти приборы очень дорогие. Цена грамма их массы превышает цену 1 грамма золота.

Тепловизоры и приборы ночного видения основаны на законах теплового излучения и принцип действия их аналогичен.

Действие бесконтактных измерителей температуры основано на использовании законов теплового излучения. Известно, что любое тело при температуре Т выше 0 К, то есть выше температуры абсолютного нуля (-273°С), имеет тепловое излучение. Это означает, что вследствие тепловых колебаний атомов и молекул тело испускает энергию теплового излучения. Причем, с ростом температуры эта энергия возрастает. В основе теплового излучения тел лежат законы теплового излучения.

W_λ=c₁λ^-5{exp[c₂/λT]-1}^-1; (1)

W_T=π∫W_λdλ=σT⁴. (2)

Энергия теплового излучения W_λ, испускающаяся абсолютно черным телом при температуре, выражается формулой Планка (формула 1).

На рисунке показана зависимость энергии от длины волны λ при различных температурах тела. Из рисунка видно, что по мере повышения температуры энергия излучения увеличивается, а длина волны λ_м (максимальная), при которой излучение максимальное, уменьшается. Суммарная энергия излучения (вт*м²) определяется путем интегрирования выражения по формуле Планка (1) по всем длинам волн.

Закон Стефана-Больцмана (формула 2) показывает связь между энергией излучения и температуры.

Из формул (1) и (2) на фиксированной длине волны λ_м или в диапазоне волн можно определить температуру. Однако, энергия излучения любого тела зависит от типа вещества и состояния поверхности тел. Поэтому для отличия этой энергии абсолютно черного тела (АЧТ) вводят коэффициент ε, характеризующий излучательную способность.

Например, для полированной поверхности алюминия ε=0.06, а для полированной поверхности стекла ε=0.95. Чтобы уменьшить погрешность измерения, возникающую из-за неравенства ε=1 в реальном теле, обычно пользуются методом двух цветов.

При этом измеряют интенсивность излучения на двух длинах волн, входящих в спектр излучения и по их соотношению определяют температуру.

Закон смещения Вина:

λ_mT=const=c, где λ_m=c/T.

Расходомеры

Расходомеры используют для измерения количества жидкости или газа, проходящего через единицу площади. Различают объемные и массовые расходы.

Объемные обозначаются Q=V_об/t, [м³/с]. Массовые обозначаются G=m/t, [кг/с].

S, [м²] – сечение;

V_ск, [м/с] – скорость движения.

В общем случае, если известно сечение трубы S, [м²] и V_ск, [м/с], то объемный расход: Q= V_скS[м/с * м²] = V_скS[м³/с].

Приборы, предназначенные для измерения расхода, носят название расходомеры.

Существует большое разнообразие типов и конструкций расходомеров: электромагнитные, вихревые, турбинные, с сужающими устройствами, ультразвуковые и другие. Рассмотрим некоторые из перечисленных расходомеров.

Достаточно широко распространены расходомеры, содержащие сужающие устройства на пути потока, которые создают перепад давления до и после сужающего устройства. Их называют расходомерами с переменным перепадом давления.

На пути потока жидкости или газа устанавливается сужающее устройство, по обе стороны которого имеет место перепад давления ∆Р=Р₁ – Р₂, где Р₁– давление до сужающего устройства, Р₂ – давление после сужающего устройства. Давление Р₁ и Р₂ поступают через трубки в измеритель перепада давления 1 и воздействуют на мембрану 2. Измеряемый расход пропорционален ∆Р.\

Очень часто не используют специальные сужающих устройств, а используют технологические изгибы труб в виде колена:

Следующая группа это турбинные расходомеры, в которых увеличение расхода судят по измеряемой скорости жидкости или газа: Q= V_скS[м³/с].

Ультразвуковые расходомеры. Вышерассмотренные два типа расходомеров требуют установки внутри трубы различных устройств. Поэтому более предпочтительными являются ультразвуковые расходомеры. Ультразвуковые расходомеры не требуют размещения внутри трубы каких-то частей прибора.

ПН₁, ПН₂ – два пьезоизлучателя, излучающие ультразвуковые волны соответственно вдоль течения среды и против;

ПП₁, ПП₂ – два пьезоприемника.

ПП₁: U₁=k(V_уз+V_среды); ПП₂:U₂=k(V_уз – V_среды);

U=U₁– U₂=k(V_уз+V_среды - V_уз+V_среды)= 2kV_среды.

Если в электронном блоке осуществить перемножение напряжения U, пропорционального скорости среды, на площадь поперечного сечения S, то будем иметь сигнал, пропорциональный расходу.

Электромагнитные расходомеры используются для измерения скорости электропроводящих сред. Выходная ЭДС электромагнитных расходомеров пропорциональна скорости движения потока жидкости.

1 – магнитопровод;

2, 3 – полюсные наконечники;

4 – обмотка, питаемая переменным током;

5 – труба, выполненная из немагнитного материала;

6, 7 – электроды;

8 – цифровой вольтметр.

Около 21% всех расходомеров электромагнитные. Они используются для электропроводящей жидкости и основаны на законе электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому изменяющееся во времени магнитное поле, пересекая ветки обмотки, наводит в ней ЭДС, пропорциональную изменению потока сцепления во времени.

е= - dψ/dt, где ψ=WФ, следовательно е= - WdФ/dt.

В трубопроводе из немагнитного материала протекает электропроводная жидкость, которая пересекается переменным магнитным полем, создаваемый обмоткой 4.

По закону электромагнитной индукции Фарадея в потоке жидкости, как в перемещающемся проводнике, возникает переменная ЭДС, которую измеряют с помощью цифрового вольтметра 8. Величина ЭДС зависит от частоты, индукции магнитного поля, внутреннего диаметра трубы и скорости движения жидкости. Погрешность измерения с помощью электромагнитных расходомеров составляет (1…2)%. Они малоинерционны.

Вихревые расходомеры.

В течение многих лет самыми распространенными средствами измерения расхода жидкости, газа и, особенно, пара были расходомеры переменного перепада давления – расходомеры с сужающими устройствами. Они обладают рядом недостатков, главный из которых заключается в том, что внутри трубы размещаются сужающие устройства. Поэтому последние годы они вытесняются другими более современными расходомерами – вихревыми расходомерами.

По американским данным в 1992 году мировой объем расходомеров с сужающими устройствами составлял только 17%. В этом же году турбинные расходомеры составили 11%, ультразвуковые - 5%, электромагнитные – 21%.

Наиболее динамичными развивающимися расходомерами являются вихревые расходомеры.

В 1993 году мировой рынок продаж вихревых расходомеров достиг 42000штук и продолжает динамично расширяться на 10% ежегодно. В 1997 году мировой объем продаж вихревых расходомеров достиг 60000 штук.

Свое название вихревые расходомеры получили от явления срыва вихрей, возникающего при обтекании потоком жидкости или газа препятствия.

Когда поток не может следовать в форме плохо обтекаемого тела, он разделяется на поверхности препятствия, создавая за ним сильно турбулизованную область в виде непрерывной серии вихрей, уносящихся потоком. Каждый вихрь сначала вырастает на поверхности препятствия, а затем, отделяясь, срывается с него. Подобный эффект можно наблюдать на порожистой реке, при обтекании потоком крупных камней или у флага, трепещущегося на ветру. Из-за невозможностей развития двух вихрей одновременно, они срываются с каждой из поверхностей препятствий поочередно, в “шахматном” порядке, образуя вихревую “дорожку (цепочку) Ван-Кармана”, по имени ученого, изучавшего это явление. Частота срыва вихрей при выполнении определенных условий оказывается прямо пропорциональна скорости потока, а , следовательно, объемному расходу. Выражается следующей формулой: f=χ V/d, где χ – постоянная, не зависящая от плотности и скорости потока; d – характерный размер (диаметр) тела обтекания; f – частота срыва вихрей;V – скорость потока.

Рассмотрим схему образования вихрей.

Впервые, такая простая математическая зависимость частоты образования вихрей от скорости потока установлена в опытах Струхаля при обдуве кругового цилиндра воздухом, поэтому критериальный коэффициент χ получил название числа Струхаля (Sh).

Развитие этой теории и обосновании явлений, связанных с процессами вихреобразования, в виде периодического срыва вихрей. с краев плохо обтекаемого тела или щели было проведено в начале ХХ века Т.Карманом. Было установлено наличие целого спектра частот, включающего кроме основной гармоники также и высшей.

f_k=Sh v/d k.

Здесь, Sh – число Струхаля; f – частота срыва вихрей; k – номер гармоники (1, 2, 3…).

Процесс срыва вихрей с тела обтекания носит периодический характер, создавая пульсации давления, подобно источнику колебаний (“вихревой”частоты). Образуемая позади тела обтекания вниз по потоку регулярная структура в виде “вихревой дорожки” позволяет использовать это обстоятельство для измерения частоты.

В первом случае датчик давления фиксирует усилие, возникающее непосредственно в теле обтекания. Во втором случае – знакопеременное давление (ВД – высокое давление, НД – низкое давление). В третьем случае формируется на некотором давлении от тела обтекания.

“Классическая ” схема вихревого расходомера состоит из тела обтекания в виде усеченной трапецеидальной, установленной поперечной в трубопроводе широким основанием потоку и генерирующей вихрей. Позади тела обтекания располагается чувствительный элемент, воспринимаемый вихревые колебания потока.

Структурная схема для измерения расхода вихревого расходомера.