Актуальність теми. Протягом останніх років склався комплекс науково-технічних задач, які поєднані ідеєю підвищення метрологічної надійності комп'ютеризованих ІВС електромагнітних полів (ЕМП) надвисокочастотного діапазону (НВЧ) низької інтенсивності з метою більш точного визначення межі їх дії на організм людини. Важливою задачею є створення ІВС інтенсивності ЕМП НВЧ обладнання стільникового зв'язку - базових станцій та мобільних модулів, - яке є значним джерелом електромагнітного забруднення середовища життєдіяльності людини. Слід підкреслити також важливість вирішення наступної науково-технічної задачі: широкому впровадженню енергозберігаючих мікрохвильових технологій перешкоджає, та навіть протидіє, відсутність постійного моніторингу стану електромагнітного поля в зонах обслуговування та у місцях управління технологічним НВЧ обладнанням. Крім того підсистеми низькоінтенсивних електромагнітних полів широко використовуються у медичному обладнанні, де точність та швидкодія вимірювання та контролю є однаково актуальними.

Побудову таких ІВС сповільнює відсутність сенсорів, які б задовольняли вимогам високої чутливості, швидкодії та надійності, а також максимальної простоти конструкції. Такі переваги можуть забезпечити діодні перетворювачі, але їх основним недоліком, що сповільнює їх широке впровадження в ІВС є низька точність та метрологічна надійність. В той час як засоби обчислювальної техніки достатньо розвинуті, системні сенсори інтенсивності електромагнітних полів потребують додаткового розвитку, що дасть можливість використовувати їх в єдиній комп'ютеризованій ІВС.

Метрологічною надійністю вважається здатність засобу вимірювання зберігати свої метрологічні характеристики протягом встановленого терміну. Підвищення метрологічної надійності комп'ютеризованих інформаційно-вимірювальних систем означає, що здатність зберігати метрологічні характеристики стосується головним чином системних сенсорів фізичних величин. Реалізація ідеї підвищення метрологічної надійності ІВС в різних галузях науки, промисловості та охорони здоров'я має важливе державне значення.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в Хмельницькому національному університеті при співробітництві з Спеціальним конструкторським бюро "Спектр" Мінпромполітики України відповідно до тематичних планів у рамках державних програм: "Складна радіоелектронна апаратура", "Виробництво технологічних комплексів, машин і устаткування", "Розробка приладів і машин для сільськогосподарського та харчового виробництва". А також в Київському національному університеті технологій та дизайну у виконанні НДР "Розробка методології та методико-інженерних принципів створення інформаційних лікувально-діагностичних комплексів міліметрового діапазону" (номер державної реєстрації 0108U009770).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка методів та засобів підвищення метрологічної надійності вимірювальних каналів комп'ютеризованих ІВС із діодними перетворювачами.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, наведено інформацію про впровадження результатів, їх апробацію та публікації.

У першому розділі проведено огляд існуючих джерел розсіяних низькоінтенсивних електромагнітних полів, які потребують дослідження. Основними засобами є комп'ютеризовані ІВС: системи екологічного моніторингу, системи безпеки праці технологічного мікрохвильового обладнання, системи контролю рівня електромагнітного поля обладнання стільникового зв'язку, системи контролю інтенсивності електромагнітного поля медичного мікрохвильового обладнання, системи дослідження мікрохвильових параметрів матеріалів, призначених для відбиття та поглинання електромагнітної енергії. Проаналізовано структурні та похідні від них методи досягнення метрологічної надійності вимірювальних каналів та можливості їх застосування щодо діодних перетворювачів. Більшість систем працює в області надвисоких частот, що накладає такі обмеження на застосування структурних методів підвищення точності щодо діодних перетворювачів: складність реалізації комутуючих пристроїв, відсутність зразкової міри НВЧ потужності у явному вигляді, обмеженість можливостей виконання математичних операцій у мікрохвильовому тракті. Також ці чинники накладають обмеження на застосування діодних перетворювачів у ІВС. Проведено оцінку метрологічної надійності та характеристик діодних перетворювачів. На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми визначено основні напрямки досліджень.

У другому розділі виконано розробку та проведено теоретичне обґрунтування методів синтезу структур вимірювальних каналів та алгоритмів інваріантного вимірювального перетворення діодних сенсорів. Забезпечення високої метрологічної надійності та точності вимірювального перетворення потребує забезпечення інваріантності функції вимірювального перетворення відносно внутрішніх та зовнішніх дестабілізуючих факторів.

На основі функцій відносної чутливості та рівнянь інваріантності розроблено метод синтезу вимірювальних алгоритмів. Для досягнення інваріантності функції вимірювального перетворення система вимірювальних рівнянь повинна відповідати кількості невідомих, а вимірювальний перетворювач повинен мати відповідну кількість каналів проходження вимірювальної інформації.

Кількісно вплив кожного параметра на вихідну величину характеризують функції відносної чутливості, які використані у кінцевих приростах: по вимірюваній величині > та дестабілізуючим факторам > . Інваріант чутливості являє собою функціональну залежність між відносними чутливостями, що не містить змінних стану та параметрів вихідної системи

Умова параметричної інваріантності в загальному випадку може бути обмежена вимогою нульової чутливості, яка визначається як рівність нулю складової вихідної величини, залежної від дестабілізуючих факторів . При незалежних варіаціях та для пошуку інваріантів використаний оператор чутливості, оцінка якого повинна дорівнювати нулю або константі

Реалізація умови рівності константі оцінки оператора чутливості здійснюється компенсацією ефекту варіації вихідного сигналу за допомогою паралельних шляхів проходження інформації.

Зокрема таким аналітичним шляхом отримані алгоритми інваріантного перетворення для лінійної та квадратичної функцій вимірювального перетворення, що дозволяє виключити з результату основні складові похибки, якими є насамперед адитивна та мультиплікативна.

Метод параметричного від'ємного зворотного зв'язку (ЗЗ). Для досягнення інваріантності вимірювального діодного перетворювача відносно нестабільності його чутливості використано зворотний зв'язок. Ідея методу полягає в охопленні діода параметричним від'ємним зворотним зв'язком для стабілізації робочої точки на вольт-амперній характеристиці діода (рис.1). Вихідною величиною діодного перетворювача є вихідний струм, яким можна керувати за допомогою струму зміщення, що і реалізує зворотний зв'язок, необхідність лінеаризації функції вимагає ввімкнення коренездобувного перетворювача у коло зворотного зв'язку.

Рівняння вимірювального перетворення

,

де - чутливість діода, - чутливість коренездобувного перетворювача, - коефіцієнт підсилення прямого кола, - коефіцієнт перетворення зворотного кола. За умови функція вимірювального перетворення не залежить від параметрів прямого кола, а саме чутливості діода та коефіцієнта підсилення. Крім того результатом введення від'ємного зв'язку є розширення динамічного діапазону вимірювання. Розглянутий метод параметричного ВЗЗ дозволяє досягти інваріантності функції вимірювального перетворення в каналі ІВС щодо коефіцієнта чутливості квадратичного детекторного діода як головного чинника похибки вимірювального каналу. Натомість виникає необхідність підвищення метрологічної надійності квадратичного перетворення напруженості електричного кола, яке виконується детекторним діодом та зберегти загальну чутливість перетворювача, що охоплений від'ємним параметричним зворотним зв'язком.

Метод структурного симетрирування. Запропонований метод структурного симетрирування здатний вирішити вказані задачі. Аналітичний опис методу структурного симетрирування, який названо так за характерним виглядом структурної побудови (рис.2) має наступні передумови: у відсутності вхідного сигналу кожен детекторний діод закритий напругою зворотного зміщення, джерелом якого є складова сигналу ЗЗ; вимірювальний сигнал не дозволяється модулювати і перемикати, щоб не вносити в хвилевод неоднорідності, які порушують узгодження діода з каналом розповсюдження НВЧ сигналу.

Метод структурного симетрирування полягає в такій послідовності операцій перетворення інформації:

- вимірювана електрична складова ЕМП НВЧ порівнюється з кінцевим результатом її перетворення (вихідним сигналом), який заздалегідь піддається коренездобувному перетворенню;

- результат порівняння (різницевий сигнал) квадрату-ється;

- постійна складова перетвореного детекторним діодом сигналу виділяється фільтром і підсилюється;

- електрична складова ЕМП НВЧ взірцевого сигналу порівнюється з кінцевим результатом перетворення вимірюваного сигналу, до якого додано кінцевий результат перетворення взірцевого сигналу ;

- загальний сумарний результат перетворень вимірювального та взірцевого сигналів є кінцевим результатом структурного симетрирування .

Метод слабких ЗЗ. На основі функцій відносної чутливості та рівнянь інваріантності розроблено метод підвищення метрологічної надійності та точності вимірювального діодного перетворювача із слабким від'ємним та додатнім зворотним зв'язком (). Це дозволяє зберегти чутливість перетворювача, в порівнянні із методом параметричного від'ємного ЗЗ, та динамічну стійкість. В основі методу лежить створення крім основного двох додаткових часових каналів проходження вимірювальної інформації, сформованих за допомогою параметричного оператора

Функції відносної чутливості по параметрам та .

На основі інваріанта отримано співвідношення, звідки. Результат вимірювання не містить значення коефіцієнта прямого перетворення за будь-якого співвідношення . Також визначено адитивну складову .

Використання просторово-часового каналу у вимірювальній структурі із слабким зворотним зв'язком дозволяє сформувати аналітичну міру, яка підтримується постійною протягом усього часу експлуатації вимірювального каналу. Вимірювальна структура має два часові канали, додатковий канал сформовано параметричними операторами та .

Функції відносної чутливості:

У результаті вимірювальний перетворювач має стабільний коефіцієнт перетворення та високу метрологічну надійність. Відповідно модуляція параметричними операторами та повинна бути синхронною і протифазною у випадку від'ємного зворотного зв'язку (рис.3) та синхронною і синфазною у випадку додатного зворотного зв'язку.

Третій розділ цілеспрямовано на вирішення задачі структурно-функціональної побудови інваріантних діодних перетворювачів для вимірювальних каналів ІВС моніторингу низькоінтенсивних електромагнітних полів. Саме в цій сфері застосування діодні вимірювальні перетворювачі відповідають терміну "системні інтелектуальні сенсори". В залежності від призначення ІВС та відповідно кількості вимірювальних каналів, відстаней від сенсорів, вимог до швидкодії можливі багатоваріантні конфігурації ІВС. Здійснено структурну реалізацію універсального вимірювального діодного перетворювача із цифровим виходом (рис.4).

Аналогова частина перетворювача містить мікрохвилеву антену, хвилевод, в якому встановлено НВЧ напівпровідниковий діод, підсилювач та зворотний перетворювач . Коло керування діодним перетворювачем містить аналого-цифровий перетворювач, процесор (мікроконтролер або мікропроцесор), який керує роботою вимірювального каналу, цифро-аналоговий перетворювач. Таке виконання дає наступні переваги: аналогова частина вимірювального каналу залишається незмінною і є максимально спрощеною, не містить елементів, які вносять додаткові похибки і знижують надійність системи; алгоритм вимірювання визначається обчислювальним пристроєм в залежності від рівня вхідної величини та виконується відповідна корекція похибок; проводиться періодична самоповірка вимірювального перетворювача. Таким чином, вдається розширити динамічний діапазон, зберегти чутливість та динамічну стійкість перетворювача, підвищити точність та метрологічну надійність ІВС.

Наявність додаткового каналу проходження вимірювальної інформації у описаному вигляді надає можливість побудови метрологічно надійних багатоканальних ІВС із спільним каналом керування. Для більш точного вимірювання інтенсивності електромагнітного поля здійснено реалізацію методу заміщення високочастотною потужністю. Вимірювальна система має каналів вимірювання НВЧ та один канал вимірювання зразкової ВЧ потужності, об'єднані спільним каналом зворотного зв'язку, що дозволяє виключити похибку неідентичності каналів. Вихідні сигнали для одного каналу ІВС у моменти часу і відповідно та

де - чутливість діода, - коефіцієнт підсилення, - коефіцієнт перетворення зворотного кола, - напруженість досліджуваного ЕМП, - напруга опорного сигналу.

В результаті досягнення балансу отримуємо рівність , звідки вимірювана потужність

Отже, похибка вимірювання визначається тільки похибкою остаточного небалансу та похибкою частотної нееквівалентності, яка враховується за допомогою корегуючих коефіцієнтів нееквівалентності.

Розроблено структурно-схемотехнічне рішення системного рефлектометра, призначеного для вимірювання коефіцієнта відбиття екрануючих матеріалів та конструкцій. Особливості рефлектометра такі: фізично розділені канали падаючої та відбитої хвиль; не використовуються комутатори в мікрохвильовому тракті, які вносять неоднорідності; спільне коло зворотного зв'язку для виключення похибки неідентичності каналів та досягнення інваріантності результату вимірювання відносно нестабільних параметрів. Коефіцієнт відбиття, похибка залежить від ідентичності коефіцієнтів перетворення синхронних детекторів та фільтрів нижніх частот .

Розроблено системний переналагоджувальний вимірювач коефіцієнта відбиття - коефіцієнта затухання ІВС дослідження ЕМП НВЧ, що має всі переваги вищезгаданого рефлектометра, відрізняється використанням зразкового поляризаційного атенюатора. З врахуванням того, що показник перетворювача "кут-код" поляризаційного атенюатора , де - чутливість перетворювача (розрізнювальна здатність), - ослаблення поляризаційного атенюатора, функція вимірювального перетворення має вигляд , де - досліджуваний коефіцієнт відбиття (або затухання).

У четвертому розділі містяться результати експериментальних досліджень та визначення показників точності та метрологічної надійності вимірювальних каналів ІВС із діодними перетворювачами. Було проведено схемотехнічну розробку вимірювальних каналів із напівпровідниковими діодними сенсорами, комп'ютерне моделювання в середовищі AWR Design Environment. Виконано експериментальне дослідження вимірювальних каналів з перетворювачами на основі діодів Шотткі (1-SMS761, 2-HSMS2665, 3-HSMS2802). Проведено порівняльний аналіз розроблених компонентів з існуючими аналогами, в якості аналогів в даному випадку використані міліватметри та мікроватметри серійного виробництва, а також сенсори НВЧ потужності. Результати відображено на графіках залежності чутливості за напругою вимірювального перетворювача (рис.5) від дестабілізуючих факторів. Були отримані та проаналізовані залежності: від неінформативного параметру - частоти вимірюваного сигналу в діапазоні від 0,3ГГц до 3ГГц (максимальне відхилення від номінального значення чутливості за напругою для вдосконаленого системного діодного сенсора 7,48%); зовнішньої впливаючої величини - температури навколишнього середовища в діапазоні від 0°С до 50°С (максимальне відхилення 1,36%); внутрішньої впливаючої величини - послідовного опору p-n переходу в діапазоні від номінального значення опору до 50Ом (максимальне відхилення 1,97%). Аналіз показує, що при застосуванні вищезгаданих методів досягається необхідна лінійність перетворення, чутливість та стабільність в діапазоні зміни дестабілізуючих факторів.

Для точного визначення частотних похибок та встановлення частотних коефіцієнтів розроблено методику, яка дозволяє зменшити методичні та інструментальні похибки. Система, яку побудовано на основі цієї методики, дозволяє виключити з результату вимірювання основні джерела похибок, такі як: нестабільність потужності НВЧ генератора, частотні характеристики відгалужувача, нестабільність напруги керування генератором НВЧ за потужністю, загальний коефіцієнт одноканального тракту за рахунок чотирьохтактного режиму роботи.

Для визначення похибки вимірювання потужності діодним сенсором розроблена модель, яка дозволяє врахувати основні чинники, такі як параметри еквівалентної схеми діода, параметри корпуса сенсора, параметри узгодження із лінією. Основна похибка розробленого вимірювального каналу із діодним перетворювачем знаходиться в межах 1% (рис.6), що на порядок нижче похибки існуючих аналогів.

Проведено експериментальне дослідження зменшення інтервалу невизначеності результату вимірювання каналом ІВС розсіяної в навколишнє середовище інтенсивності електромагнітного поля мікрохвильової сушарки деревини. Показано, що метрологічну надійність каналу ІВС у порівнянні із аналогами підвищено не менше ніж в 16 разів за рахунок відповідного збільшення метрологічного ресурсу.

Основні результати роботи та висновки