Исследование можливості використання ефекту автодинного детектування в генераторах на диоде Ганна контролю параметрів вибрации

~~~~~~~~~~~.

1. ЗАПРОВАДЖЕННЯ.

2. ОГЛЯД МЕТОДІВ ВИМІРУ ВІБРАЦІЇ.

Контактні методи виміру вибрации.

Безконтактні методи виміру вибрации.

3. АВТОДИНЫ НА НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДИОДАХ.

4. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА.

Упорядкування моделі автодина на диоде Ганна.

Теоретичне опис нагрузки.

Принципи побудови программ.

5. ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ.

6. ВИСНОВОК.

7. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ.

ДОДАТОК 1. Дані про обчислювальному комплексі.

ДОДАТОК 2. Текст програми для моделювання работы.

автодина на диоде Ганна HANN.SAV.

ДОДАТОК 3. Правила користування програмою HANN.SAV.

ДОДАТОК 4. Текст програми для моделювання работы.

виброизмерителя на диоде Ганна VIBRO.SAV.

~~~~~~~~~.

Сучасні технології вимагають безперервного контролю за.

багатьма параметрами технологічного процесу контроля.

стану устаткування. Одним із найважливіших є параметры.

механічного руху, в частковості параметры.

періодичних переміщень досліджуваного об'єкта в пространстве.

(вібрації). Цими параметрами є виброперемещение.

(амплітуда вібрації) і виброскорость (частота вібрації).

Такий контроль необхідний у різних областях: в.

напівпровідникової електроніці (контроль вібрації установок.

для вирощування кристалів), в мікроелектроніці (вибрация.

установок фотолитографии), у машинобудуванні (вибрация.

верстатів і биття деталей), в автомобільної промышленности.

(контроль вібрації окремих вузлів автомобілів і всего.

автомобіля загалом), на залізничному транспорті (датчики.

наближення поїзда), енергетики (контроль вібрації лопаток.

газових турбін), в авіабудуванні (контроль биттів турбін) и.

т.д. Цей перелік можна продовжувати який досить довго, что.

говорить про необхідність створення високоточних вибродатчиков.

Нині розроблено досить много.

вибродатчиков, заснованих на виключно різних ефекти (див. главу.

2). Усі вони теж мають свої переваги та недоліки. Крім того,.

є певні складнощі у теоретичному описании.

і моделюванні роботи вибродатчиков.

Метою дипломної роботи було исследовоние возможности.

використання ефекту автодинного детектування в.

напівпровідникових НВЧ — генераторах на диоде Ганна для.

створення вимірників параметрів вібрації і особливості их.

работы.

2. ОГЛЯД МЕТОДІВ ВИМІРУ ВІБРАЦІЇ. ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~.

Існує дві групи методів виміру параметров.

вібрацій: контактні, подразумевающие механічну связь.

датчика з досліджуваним об'єктом, і безконтактні, тобто. не.

пов’язані з об'єктом механічної связью.

Розглянемо спочатку контактні методи. Найбільш простыми.

є методи реєстрації вібрацій з помощью.

п'єзоелектричних датчиків. Вони дозволяють проводить.

виміру з точністю буде в діапазоні низьких частот и.

щодо великих амплітуд вібрації, але вследствии своей.

високої інерційності, що призводить до спотворення форми сигнала.

унеможливлює вимір вібрацій високої частоти і малой.

амплітуди. З іншого боку, якщо маса досліджуваного об'єкта, а.

отже, і інерційність невелика, такий датчик.

може істотно проводити характер вібрації, що вносит.

додаткову помилку в измерения.

Ці недоліки дозволяє усунути метод открытого.

резонатора, описаний в [1]. Суть методу полягає в.

вимірі параметрів НВЧ резонатора, змінюються вследствие.

вібрації досліджуваного об'єкта. Резонатор має дві зеркала,.

причому одне з яких фіксоване, а інше механічно связано.

з досліджуваним об'єктом. Реєстрація переміщень при малых.

амплітудах вібрацій виробляється амплитудным методом по.

зміни вихідний потужності разі прохідній схеми включения.

резонатора чи відбитій потужності, у разі применения.

кінцевого включення. Цей метод виміру вимагає постоянства.

потужності, подводимой до резонатору і високої стабильности.

частоти возбуждения.

Що стосується великих амплітуд вібрацій реєструється усунення резонансної частоти, можна зробити з очень.

високої точністю. На підвищення добротності і уменьшения.

дифракційних втрат використовують сферичні зеркала.

Роздільна здатність даної методу 3 мкм. Метод.

має малої инерционностью проти описаним выше,.

та його застосування рекоменуется, якщо маса зеркала.

принципово менше маси досліджуваного объекта.

Проте механічна зв’язок датчика з досліджуваним объектом.

які завжди припустима, тому останні роки основное.

увагу приділяється розробці безконтактних методів измерения.

параметрів вібрацій. З іншого боку, їхнім спільним достоинством.

є на досліджуваний об'єкт и.

зневажливо мала инерционность.

Усі безконтактні методи засновані на зондуванні объекта.

звуковими і електромагнітними волнами.

Однією з останніх розробок є метод.

ультразвукової фазометрии, описаний в [2]. Він полягає в.

вимірі поточного значення різниці фаз опорного сигнала.

ультразвукової частоти і сигналу, відображеного від исследуемого.

об'єкта. Як чутливих елементів используется.

пьезоэлектрическая керамика.

На частоті ультразвуку 240 кГц. чувствительность.

виміру виброперемещения 10 мкм. буде в діапазоні від 10 до.

5*10 мкм., відстань до об'єкта до 1.5 м. На частоте.

32 кГц. чутливість 30 мкм., відстань до об'єкта до.

2 м. Зі збільшенням частоти зондувального сигналу чувствительность.

растет.

Як достоїнств методу можна назвати дешевизну и.

компактність апаратури, мале час виміру, отсутствие.

обмеження знизу на частотний діапазон, високу точность.

виміру низькочастотних вібрацій. Недоліками являются.

сильне згасання ультразвуку повітря, залежність от.

стану атмосфери, зменшення точності виміру з ростом.

частоти вибрации.

Велике торгівлі поширення набули методи, засновані на.

зондуванні об'єкта видимим світлом. Опис і сравнение.

основних оптичних методів наведено в [3].

Усі оптичні методи поділяються на дві групи. К.

першої ставляться методи, засновані на реєстрації эффекта.

Допплера. Найпростішим є гомодинный метод, который.

дозволяє вимірювати амплітуди і фази гармонійних вібрацій, но.

з його за допомогою неможливо досліджувати негармонические і большие.

за амплітудою вібрації. Ці недоліки можна устранить.

використовуючи гетеродинные методи. Але вони вимагають калібрування и,.

ще, вимірювальна апаратура сильно усложняется.

Суттєвим недоліком перелічених вище методов.

є високі вимоги до якості поверхности.

досліджуваного об'єкта. Але вона втрачає своє значення при.

використанні голографічних методів, що й образуют.

другу группу.

Голографічні методи мають високої разрешающей.

здатністю (до 0.05), але вони потребують складного и.

дорогостоющего устаткування. З іншого боку, час вимірів очень.

велико.

Спільними вадами оптичних методів являются.

складність, громоздскость та висока вартість оборудования,.

велике енергоспоживання, високі вимоги до качеству.

поверхні досліджуваного об'єкта, високі вимоги к.

стану атмосфери (певна вологість, отсутствие.

запорошеності тощо.). З іншого боку, лазерне излучение.

надає шкідливий вплив на зір обслуговуючого персонала.

і вимагає додаткових запобіжних заходів і защиты.

Частина недоліків можна усунути застосовуючи методы,.

засновані на використанні НВЧ випромінювання [4]. Они.

поділяються на інтерференційні і резонаторные. У основе.

інтерференційних методів лежить зондування исследуемого.

об'єкта хвилями ВЧ і НВЧ діапазонів, приймання і аналіз отраженных.

(розсіяних) об'єктом хвиль. Між випромінювачем і исследуемым.

об'єктом внаслідок інтерференції утворюється стояча волна.

Вібрація об'єкта призводить до амплітудної і фазової модуляции.

відбитій хвилі і до утворення сигналу биттів. У выделенного.

сигналу змінного струму амплітуда пропорциональна.

виброперемещению, а частота відповідає частоті вибрации.

объекта.

Одне з варіантів интерференционного методу описаний в [5].

Установка складається з НВЧ генератора 1 на отражательном.

клистроне (мал.1), який модулюється прямоугольными.

___ ___ _______ 5 6 7 ||.

| 1 |——| 3 |——| 4 |—-||—;

~T~ ~~~ ~~~T~~~ ||.

___ 8 |.

| 2 | | ___ ____ ____.

~~~ —-| 9 |—-| 10 |—-| 11 |.

~~~ ~~~~ ~~~~.

Рис. 1. Установка для виміру параметрів вібрацій ~~~~~~~~.

интерференционным методом.

імпульсами, виробленими генератором 2, вентиля для отсечки.

відбитій хвилі 3, вимірювальної лінії 4, приемно-передающей.

антени 5 із діелектричною лінзою 6, досліджуваного об'єкта 7,.

кристалічного детектора 8, підсилювача змінного струму 9,.

детектора низькою частоти 10 і індикаторного устрою 11.

Установка забезпечує високу точність вимірів за значного віддаленні досліджуваного об'єкта, обладает.

малої инерционностью, залежить від температури. Але она.

вимагає точної градуировки.

Резонаторные методи засновані на розміщення вибрирующего.

об'єкта на полі НВЧ резонатора (поза чи, хоча б частично.

всередині його), унаслідок чого змінюються характеристики.

резонатора. На мал.2 приведено схема вимірника вібрацій на.

подвійному Т-подібному мосте.

___ ___.

—-| 7 |—-| 8 |.

| ~~~ ~~~.

6 |.

|| 5 3 | ___.

|| >—-||————————————-||—-| 4 |.

|| / 2 ~~~.

_/_.

| 1 |.

~~~.

Рис. 2. Вимірювача вібрацій на подвійному Т-подібному мосту. ~~~~~~~.

Сигнал з НВЧ генератора 1 через подвійний Т-образный міст 2.

надходить на приемно-передающую антену 3 і регулируемую.

навантаження 4. Позначившись від досліджуваного об'єкта 5, сигнал.

через подвійний Т-образный міст надходить на кристаллический.

детектор 6, який одночасно приходить сигнал,.

відбитий узгодженої навантаження. Продетектированный.

сигнал посилюється підсилювачем 7 після чого надходить на.

индикаторное пристрій 8. Будь-яке усунення досліджуваного объекта.

викликає розбаланс подвійного Т-образного мосту, що призводить к.

появі сигналу на индикаторном устрої. Минимальное.

регистрируемое виброперемещение залежить від власних шумов.

генератора, його потужності і загальну стабільність, і навіть от.

механічної стабільності устройства.

Безконтактне вимір параметрів вібрацій резонаторным методом можливо, й включення приемно-передающей антени в.

частотнозадающую ланцюг НВЧ генератора, тобто. під час роботи в.

автогенераторном режимі. Такі системи називаються автодинными.

генераторами чи навіть автодинами.

У [5] наведено приклад автодинного вимірника вібрацій на.

отражательном клистроне (рис.3). Вона складається из.

o ;

|.

|~~|~~| 1.

| ~~~ |.

+ | |.

o—±O-O |.

| | —+———————> Uвых.

|_|___|.

| || R.

___ | 3 ___ 5 ||.

| 2 |——————————||—-| 4 |< ||>

~~~ ~~~ ||.

Рис. 3. Автодинный вимірювач вібрацій на отражательном ~~~~~~~~.

клистроне.

отражательного клистрона 1, волноводной системи 3,.

короткозамыкающего поршня 2, діелектричним антени 4 и.

досліджуваного об'єкта 5. У результаті вібрації об'єкта изменяется.

режим генерації, з’являється прирощення постійної составляющей.

струму у подальшому ланцюгу резонатора клистрона, але в резисторе R появляется.

прирощення напряжения.

Роздільна здатність даної установки до 1 мкм.

Недолік у тому, що клістрон вимагає больших.

що живлять напруг, що зумовлює збільшення размеров.

апаратури і великому енергоспоживанню. Але це можно.

уникнути, якщо за НВЧ генератора использовать.

твердотільні НВЧ діоди (ДГ, ЛПД, ИПД, ТД тощо.).

3. АВТОДИНЫ НА НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДИОДАХ. ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~.

Як згадувалося, напівпровідникові НВЧ генераторы.

мають також низку достоїнств [6,7]. Основними достоинствами.

є малі розміри мала энергопотребление.

Порівняльні характеристики напівпровідникових НВЧ генераторов.

наведені у таблиці 1.

|-| ———-діод +—————| потужність —————ККД —————+усунення | ———————-|шуми |.

|| ЛПД~~~ | до 12 Вт.| до 15%max 31% десятки |Вольт | сильні шуми |лавинообраз-я |.

|| ИПД~~~ | десятки|миллиВатт. одиниці% сотні |миллиВольт| слабкі шуми ||.

|||| ДГ~~ | десятки|миллиВатт-| одиниці| Ватт. зависитотрежимаработы |4.5−7 У. | | | теплові шуми |лише на рівні |30000K (GaAs) | 1400K (InP) |.

||| ТД~~ | одиниці| і десятки| микроВатт одиниці% сотні |миллиВольт|| |слабкі шуми ||.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Таблиця 1. Порівняльні характеристики напівпровідникових ~~~~~~~~~~.

НВЧ генераторов.

Еквівалентна схема автодина на напівпровідниковому диоде.

приведено на рис. 4.

__________.

| |.

|~| |~|.

| | Yд | | Yн.

|_| |_|.

| |.

~~~~~~~~~~.

Рис. 4. Еквівалентна схема автодина на напівпровідниковому ~~~~~~~.

диоде.

Ця еквівалентна схема то, можливо описана соотношением.

(3.1), відповідно до першого закону Кирхгофа.

. .

Iyд + Iyн = 0 (3.1).

Величина Yн явлыется провідністю навантаження і елементів настройки схеми, Yд — середня провідність полупроводникового.

прибора,.

.

Yд = I1 / U1 (3.2).

.

I1, U1 — комплексні амплітуди струму і напруження первой.

гармоніки на напівпровідниковому елементі. Т.к. до обеим.

. проводимостям докладено один і той ж напруга U1, можно.

записати баланс мощностей:

2 2.

| U2 | * Yд + | U1 | * Yн = 0 (3.3).

Активна потужність на навантаженні (3.4) положительна.

Рн = | U1 | * Re (Yн) (3.4).

звідси випливає, что.

| U1 | * Re (Yд) = - Рн (3.5).

.

тобто. Yд повинен мати негативну справжню частина при.

існуванні у системі коливань з ненульовий амплитудой.

Наявність негативною провідності характеризує трансформацию.

енергії: напівпровідниковий елемент споживає энергию.

постійного струму і є джерелом коливань ненулевой.

частоты.

Як трансформаторів енергії то, можливо использован.

ряд двухполюсников діодів: тунельний діод (ТД), лавинно ;

пролетный діод (ЛПД), инжекционно — пролетный діод (ИПД) и.

діод Ганна (ДГ).

Процеси в напівпровідникових приладах описуються тремя.

основними рівняннями у приватних похідних [8]: уравнением.

щільності струму, що характеризує освіту направленных.

потоків заряду; рівнянням безперервності, відбиваючим накопление.

і розсмоктування рухливих носіїв заряду, і уравнением.

Пуассона, що описує електричні поля була в полупроводнике.

Точне розв’язання цих рівнянь з урахуванням граничних условий.

загалом важко навіть у ЕОМ. Щоб упростить.

аналіз вводять еквівалентні схеми напівпровідникових приборов.

ТД є прилади, найзручніші для.

аналізу, т.к. їх еквівалентна схема простіша точна, чем.

схеми інших напівпровідникових приладів. З практичного точки.

зору ТД чи цікава як під час створення маломощных.

автодинов в короткохвильової частини сантиметрового диапазона.

ИПД (BARITT) має малої генерованою потужністю [9],.

а й через низького рівня шумів і малого напруги питания.

є перспективними для допплеровских автодинов.

ЛПД забезпечує найбільші ККД і потужність колебаний.

[10]. Але головним недоліком є щодо высокий.

рівень шумів, обумовлений, насамперед, шумами.

лавинообразования.

Отже, нині найбільш подходящим.

полупроводниковым НВЧ генератором для автодинов є диод.

Ганна, який, хоч і має високий рівень шумов.

і неприйнятно низький ККД, генерує коливання досить високої мощности.

(від десятків миллиВатт до одиниць Ватт) і вимагає низкого.

[11] напруги харчування (4.5 — 7 Вольт).

4. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТЬ.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~.

Метою згаданої роботи було математичне моделирование.

процесів, які у автодине на диоде Ганна с.

вібруючої навантаженням. І тому було створено эквивалентная.

схема автодина (див. мал.5).

з —> i2.

|~~~~~~~~~~~~~~~|~~~~~~~~~~~~|~~~~~~~~|.

| | > | |.

| i1 | > Lk | |.

| V > | |.

| > | |.

| |a | |.

| |~~~~~~~| | |.

| | | | >

|~| | |~| | >

| | Yn Cd === | | Yd === Ck > Ln.

|_| | |_| | >

| | | | >

| |_______| | |.

| |b | |.

| | | |.

| |~| | |.

| | | Ys | |.

| |_| | |.

|_______________|____________|________|.

d.

Рис. 5. Еквівалентна схема автодина на диоде Ганна. ~~~~~~~~.

Схема самого діода Ганна [6] включає провідність диода.

Yd, ємність діода Cd, провідність активних втрат Ys,.

индуктивность корпусу Lк і ємність корпусу Ск. До диоду.

підключені волноводная система і навантаження, які были.

представлені у вигляді активної провідності навантаження Yn и.

індуктивності навантаження Ln.

Ця еквівалентна схема описується системой.

диференційних рівнянь (4.1−4.4), отриманих с.

використанням I і II законів Кирхгофа [12].

dUab/dt = (i1 — Yd (U0 + Uab) Uab) / Cd (4.1).

dUcd/dt = (-i1 — Ucd Yn — i2) / Ck (4.2).

di1 /dt = (Ucd — Uab — i1 / Ys) / Lк (4.3).

di2 /dt = Ucd / Ln (4.4).

Навантаження з волноводной системою було представлено в виде.

лінії, навантаженої на комплексныю провідність отражающей.

поверхні (див. мал.6).

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~|.

. |~|.

Yn | | Z.

|_|.

_______________________|.

Рис. 6. Уявлення навантаження як навантаженої лінії. ~~~~~~~.

.

Комплексна провідність навантаження Yn була виражена через.

коефіцієнт відображення хвилі від об'єкта (навантаження). Для этого.

було вирішено система рівнянь (4.5−4.6) [12].

. .

U = Uпад + Uотр (4.5).

. .

I = Iпад + Iотр, (4.6).

. .

де Uпад, Iпад — комлексные напруга й струм падаючої волны,.

Uотр, Iотр — комплексні напруга й струм відбитій волны.

Коефіцієнт відображення є ставлення амплитуд.

відбитій і падаючої волн.

. .

G = Uотр / Uпад (4.7).

Через війну вирішення цієї системи отримали выражение.

для комплексної провідності нагрузки.

. 1 1 — G exp (-2 j l).

Yn = —- * —————————————, (4.8) Zв 1 + G exp (-2 j l).

де Zв — імпеданс порожнього волновода.

Zв = m m0 W / (4.9).

W — частота генератора, m — магнітна проникність, m0 ;

магнітна стала, l — відстань до об'єкта, — фазовая.

постоянная.

Для підстановки до системи рівнянь (4.1−4.4) комплексная.

провідність навантаження поділили на справжню и.

мниму части.

2. 1 1 — G.

Re (Yn) = —- * —————————————-2 (4.10) Zв 1 + 2 G co (2 l) + G.

. 1 2 G sin (2 l).

Im (Yn) = —- * —————————————-2 (4.11) Zв 1 + 2 G co (2 l) + G.

Насправді ж частина додається до певного неизменному.

значенням активної провідності нагрузки.

.

Yn = Yn0 + Re (Yn) (4.12).

Несправжня ж його частина залежно від своєї знака может.

характеризувати чи ємність, чи индуктивность. Що стосується, если.

.

Im (Yn) > 0, вона характеризує ємність, яка добавляется.

в Ск.

.

Ск = Ск0 + Im (Yn) / W (4.13).

Інакше вона характеризує индуктивность, которая.

додається в Ln.

.

Ln = Ln0 + 1 / (|Im (Yn)| W) (4.14).

Щоб знайти провідність діода, необходимо.

продифференцировать вираз ВАХ діода по напряжению:

M0 U U 4.

——— + Vs [ ——- ].

L Eр L.

i (U) = q n P. S * ——————————————— (4.15).

U 4 1 + [ ——- ].

Eр L.

де q — елементарний заряд, n — концентрація носіїв заряда,.

М0 — рухливість носіїв заряду, U — прикладений потенциал,.

P.S — перетин діода, L — довжина діода, Vs — швидкість насыщения.

носіїв заряду, Eр — граничне поле.

і, A. |.

|.

0.09 +.

|.

0.08 +.

|.

0.07 +.

|.

0.06 +.

|.

0.05 +.

|.

0.04 +.

|.

0.03 +.

|.

0.02 +.

|.

0.01 +.

|.

+——-+——-+——-+——-+——-+——-+——-+——->

0 1 2 3 4 5 6 7 U, В.

Рис. 4.3. Вольт — амперная характеристика діода Ганна. ~~~~~~~~.

Через війну диференціювання було получено.

Vs U 3.

|~ M0 + 4 —-4 (—-).

di q n P. S | Eр L.

Yd = —— = ——- * | —————————————- — dU L | U 4.

|_ 1 + (——-).

L Ep.

U U 4.

3 M0 —- + Vs (——-) ~|.

U L L Eр |.

— 4 * ——— * —————————————— | (4.16).

3 4 U 4 2 |.

L Eр (1 + (——-)) _|.

L Ep.

Отже, вирішуючи систему (4.1−4.4) з підстановками (4.13),.

(4.14), (4.16), можна було одержати значення струмів i1, i2 и.

.

напруг Uab, Ucd в певний час. Але выражение.

(4.8), отже й висловлювання (4.10) і (4.11) были.

Yd, См.|.

|.

— 1 |.

1*10 +.

— 2 |.

9*10 +.

|.

=.

— 3 |.

1*10 +.

| 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 U, B.

+——-+——-+——-+——-+——-+——-+——-+——-+—->

— 3 |.

1*10 +.

— 3 |.

2*10 +.

— 3 |.

3*10 +.

— 3 |.

4*10 +.

— 3 |.

5*10 +.

— 3 |.

6*10 +.

|.

Рис. 4.4. Залежність провідності діода Ганна від напруги ~~~~~~~~.

питания.

виведені не враховуючи вібрації. Врахувати гармонійну вибрацию.

навантаження можна підставивши l (відстань до об'єкта) в виде.

l = 2 [ l0 + A sin (Wв t) ] /, (4.17).

де l0 — початкова відстань до об'єкта, Wв — частота.

вібрації, А — амплітуда вібрації. Можна ще врахувати линейное.

переміщення об'єкта, запровадивши в розгляд лінійну швидкість V,.

тогда.

l = 2 [ l0 + A sin (Wв t) + V t ] / (4.18).

Система (4.1−4.4) вирішувалася з урахуванням зміни расстояния.

до об'єкта (4.18). Аналітичне розв’язання цієї системи не.

можна, тому систему було вирішена на ЕОМ с.

допомогою методу Рунге-Кутта для систем дифференциальных.

рівнянь [13]. Обчислення проводилися для десяти точок на.

період режимі самосогласования частоти. Проводился.

розрахунок трьох гаданих періодів, після чого вычислялась.

частота з останнього реальному періоду. Якщо предполагаемая.

і розрахований частоти розрізнялися понад 10%,.

обчислення тривали до таких трьох періодів, после.

чого проводилося порівняння нової частоти з раніше найденной.

Це тривало до узгодження давньої і нової частот с.

заданої точністю. Результати представляли як матрицы.

струмів і напруг Uab, Ucd, i1, i2 до трьох періодів, которая.

надалі використовувалася перебування величины.

продетектированного сигналу (4.19), потужності НВЧ сигналу на.

навантаженні (4.20) і спектрів струмів на диоде і нагрузке.

T зв R.

Vдет = —- i1 dt (4.19).

T.

T зв 1.

Pсвч = —- Ucd i2 dt (4.20).

T.

Спектр струмів i1 і i2 перебував методом розкладання функций.

i1(t) і i2(t) до кількох Фур'є [14,15].

a0.

f (t) = —- + [ ak co (k W t) + bk sin (k W t)], (4.21).

k=1.

где.

T.

ak = —- f (t) co (k W t) dt (4.22).

T.

T.

bk = —- f (t) sin (k W t) dt, (4.23).

T.

де f (t) — функції i1(t) чи i2(t), W — частота сигналу, k ;

номер гармоніки, k = 1, 2, 3,… Амплітуда і фаза k-й.

гармоніки перебувають по формулам (4.24) і (4.25).

соответственно.

____________.

/ 2 2.

Ak = / ak + bk (4.24).

Фk = - arctg (bk/ak) (4.25).

Інтеграли у висловлюваннях (4.19), (4.20), (4.22), (4.23).

обчислювалися методом трапецій [16]. Метод трапецій, хоча и.

є менш точним проти методом Гаусса і правилом.

Сімпсона, та його точності цілком достатньо для решения.

поставленого завдання. З іншого боку, вона дозволяє сократить.

витрати машинного часу, що є вельми важливе значение.

З метою зменшення витрат машинного часу программа.

моделювання роботи автодина на диоде Ганна було написано на.

мові високого рівня Сі [17]. Програма реалізована на.

персональної ЕОМ «Електроніка МС 0507 «(див. додаток 1).

Програми приведено в приложеннии 3, та її опис в.

додатку 2.

Для розрахунку було обрано такі початкові данные:

2 15 -3.

fg = 10 ГГц, М0 = 6000 В/(см * з), n = 10 див., U0 = 4.5 В,.

2 6.

L = 10 мкм, P. S = 100 * 100 мкм, Vs = 8.5 * 10 см/с, Eр = 4000.

В/см, G = 1, = 1, Yn0 = 0.01 Див, Ys = 0.05 Див, Ск0 = 0.45 пФ,.

Cd = 0.25 пФ, Lк = 0.45 нГн, Ln0 = 0.45 нГн. Расчеты.

проводились припущенні відсутності загасання сигнала.

(стала загасання = 0). З іншого боку, вважалося, что.

провідність навантаження полягає з провідності волновода.

і провідності що відбиває поверхні. Насправді ж она.

включає провідність хвилеводу, провідність антенны,.

провідність відкритого простору й провідність отражающей.

поверхні. Усі вышеидущие формули виведені з урахуванням этого.

предположения.

Як граничних умов рішення системы.

диференційних рівнянь обрані значення Uab = 0.8 В,.

Ucd = 0.5 У, i1 = 0.01 А, i2 = 0.007 A.

Однак у процесі обчислень було встановлено, що метод,.

реалізований у програмі Hann. sav придатний лише расчета.

процесів, які у автодинном генераторі з неподвижной.

навантаженням. Це переважно зумовлено великими затратами.

машинного часу. Наведу наступний приклад: нехай объект.

робить коливання із частотою 10 кГц., частота зондирующего.

сигналу 10 ГГц.; в такий спосіб, щоб розрахувати воздействие.

вібрації об'єкта на автодин, необхідно провести розрахунок хотя.

за один період вібрації, тобто. за 10 періодів зондирующего.

сигналу. Розрахунок одного періоду зондувального сигналу занимает.

близько п’ятьох хвилин машинного часу, тобто. даний расчет.

зажадає 9.5 лет.

Це перешкода усунуто так: с.

допомогою програми Hann. sav було проведено розрахунки величины.

продетектированного сигналу і НВЧ — потужності на навантаженні для.

випадку нерухомого об'єкту і отримані їх залежності от.

відстані до досліджуваного об'єкта. Була проведена.

апроксимація з допомогою методу найменших квадратов.

(розрахунок проведено на микрокалькуляторе «Електроніка МК — 52 «с.

використанням стандартного пакета програмного обеспечения.

БРП — 3) у результаті отримані такі выражения:

зв -3 -4.

Pсвч (L) = 3.57*10 — 2.24*10 L +.

— 3 -4.

+ (0.61*10 — 2.20*10 L) sin (4 L /) (4.26).

зв -1 -2.

Vдет (L) = 3.45*10 — 2.35*10 L +.

— 1 -2.

+ (2.36*10 — 2.01*10 L) sin (4 L /) (4.27).

Змінюючи відстань до досліджуваного об'єкта L згідно із законом зв н.

(4.28) і зрозумівши середні значення Рсвч (L) і Vдет (L) за.

період вібрації (4.29), (4.30), були враховано значення НВЧ ;

потужності на навантаженні й розмір продетектированного сигналу в.

разі вібруючого объекта.

L (t) = L0 + dL sin (Wв t) (4.28).

Tв один н.

Pсвч = —- Pсвч (L (t)) dt (4.29).

Тв.

Тв один н.

Vдет = —- Vдет (L (t)) dt, (4.30).

Тв.

де Тв — період вибрации.

Для проведення цих розрахунків було написано программа.

Vibro.sav (див. Додаток 4.). Обчислення проводилися в.

діапазоні частот вібрації від 1 кГц. до 10 кГц. для.

десяти фіксованих значень амплітуди вирации:

dL = 0.01 див., 0.1 див., 0.25 див., 0.5 див., 0.75 див., 1 см.,.

1.5 див., 2 див., 3 див. (що він відповідає довжині волны.

зондувального сигналу) і п’яти см.

5. ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТОВ.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~.

Моделювання процесів в автодине проводилося в два.

етапу. У першому етапі було знайти параметры.

автодина під час роботи з нерухомим досліджуваним об'єктом. В.

ролі цих параметрів було обрано величини, легко.

піддаються практичному виміру: частота генерации,.

потужність НВЧ — сигналу на навантаженні і величина.

продетектированного на диоде сигналу. Були проведены.

обчислення цих параметрів залежно від відстані до.

досліджуваного об'єкту і від напруги харчування на диоде Ганна.

З іншого боку, отримали залежність частоти НВЧ ;

сигналу від яке живить напруги під час роботи автодина на.

узгоджену навантаження (коефіцієнт відображення G = 0),.

яка приведено на рисунке:

fg, ГГц.

|.

15 +.

|.

14 + *.

|.

13 +.

|.

12 + *.

|.

11 +.

| *.

10 + *.

|.

+——+——+——+——+——+——>

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 U, В.

Рис. 5.1. Залежність частоти НВЧ — сигналу від напруги ~~~~~~~~~.

харчування під час роботи на узгоджену нагрузку.

На малюнку видно різке зростання частоти НВЧ — сигналу при.

напрузі харчування понад п’ять У, що неприпустимо для используемой.

волноводной системи (10 * 23 мм. чи 12.5 * 28.5 мм.) по.

причини існування критичної довжини волны:

2 2 -½.

кр = 2 / [ (m/a) + (n/b) ], (5.1).

де a, b — розміри стінок хвилеводу, m, n = 0, 1, 2,…

У цьому волноводной системі можуть існувати НВЧ ;

сигнали з частотами 8 — 12 ГГц. (7 — 10 ГГц.). Поэтому.

практично результати моделювання можна використовувати при.

напругах харчування 4.4 — 5.3 У. Проте, надалі будут.

розглядатися та інші напруги харчування (до 7 У.) для.

моделювання роботи системи за іншими діапазонах і для.

перебування залежностей параметрів від напруги питания.

На рис. 5.2 приведено залежність НВЧ — потужності на.

навантаженні від відстані до досліджуваного об'єкту і напряжения.

харчування. вона є періодичної залежністю з периодом.

/2, де — довжина НВЧ — хвилі для даного напряжения.

харчування ((4.5В) = 3 див., (5В) = 2.7 див., (5.5В) = 2.4 см.,.

(6В) = 2 див.). За характером залежність близька к.

синусоидальной, тому у неї аппроксимирована функциией.

виду (4.26) задля її подальшого використання. Коефіцієнти этой.

залежності змінюються зі зміною напруги харчування. На рис.

5.3 приведено залежність НВЧ — потужності на навантаженні при.

відстані до об'єкта L = n /4, n = 0,1,2,… від напруги н.

харчування, але в рис. 5.4 залежність амплітуди функції Pсвч (L).

від напруги харчування. Ці залежності дійсні в.

інтервалі L = (0 — 5). Зі збільшенням напруги питания.

відбувається зменшення НВЧ — потужності на навантаженні і уменьшение.

н.

амплітуди функції Рсвч (L). При напрузі харчування 6.5 — 7.0 В.

НВЧ — потужність преобретает значення 2.78 мВт. і перестает.

змінюватися з подальшим збільшенням яке живить напряжения,.

н.

а амплітуда функції Рсвч (L) —> 0.

Аналогічно була проаналізовано залежність величины.

продетектированного сигналу від відстані до об'єкта и.

напруги харчування (див. Рис. 5.5). Ця залежність также.

близька до синусоидальной, тому у неї аппроксимирована фун;

кцией виду (4.27). На рис. 5.6 і рис. 5.7 наведено зависимости.

величини продетектированного сигналу при L = n /4, n = 0, 1,.

2,… і амплітуди функції Vдет (L) від напруги питания.

зв н.

З аналізу залежностей Рсвч (L, U) і Vдет (L, U) можно.

дійти невтішного висновку, що виміру вигідніше проводити при напряжении.

харчування близько 4.5 У. при відстані до досліджуваного объекта.

(4n+1) /8, n = 0, 1, 2,…, т.к. обчислювані величини имеют.

найбільші значення,(0.6 У. за напругою і 4.2 мВт. по НВЧ ;

потужності), що дозволяє краще виділити їх у тлі шумов.

На Рис. 5.8 приведено залежність частоти НВЧ — сигналу от.

відстані до об'єкту і напруги харчування. Зависимость.

є періодичної з періодом /2. Амплитуда.

негативного полупериода значно менше амплитуды.

позитивного полупериода. Значення частоти в точках n /4,.

n = 0, 1, 2,… відповідають значенням частоти під час роботи на.

узгоджену навантаження. З наведених вище міркувань о.

хвилях, не затухали у цьому волноводе можна зробити вывод,.

що з L = (n/4 — n/2) відбуватиметься быстрое.

згасання сигналу, тому виміру перетворилася на цих точках не.

видаються можливими. Вимірювання можливі в точках.

L = [ n — (n+1) ] /4, де частота сигналу соответствует.

діапазону частот хвилеводу (10 * 23 мм. чи 12.5 * 28.5 мм.).

На Рис. 5.9 і Рис. 5.10 наведено спектри струмів на нагрузке.

і диоде Ганна відповідно при L = (4n+1) /8, n = 0, 1,.

2,…, у точці, найсприятливішої для вимірів. У обоих.

спектрах відзначається переважання основний гармоники,.

.

унаслідок чого вона надає найбільший вплив на работу.

автодина. Цим можна пояснити майже гармоническую.

зв н.

форму функцій Рсвч (L), Vдет (L).

Усі поки що проводилися з помощью.

програми Hann.sav.

*.

З другого краю етапі провели моделювання работы.

автодина при вібруючому досліджуваному об'єкті. Моделирование.

проводилося з допомогою програми Vibro. sav з использованием.

співвідношень (4.26) і (4.27). На Рис. 5.11 і 5.12 представлены.

залежності НВЧ — потужності на навантаженні і величины.

продетектированного на диоде Ганна сигналу від начального.

відстані до об'єкту і амплітуди вібрації при частоте.

вібрації 1 кГц. Ці залежності мають правильную.

синусоудальную форму внаслідок використання аппроксимаций.

(4.26) і (4.27). Період цих залежностей дорівнює /2.

в в.

Максимальне значення величин Рсвч (L) і Vдет (L) отмечается.

в точках (4n+1) /8 і (4n+3) /8, n = 0, 1, 2,…,.

Вимірювання слід здійснювати області максимальной.

чутливості. Проте, враховуючи попередні обмеження по.

частоті, точки (4n+3) /8 є непридатними для проведения.

вимірів внаслідок труднощів існування сигналов.

такою високою частоти у цьому типі волноводов. Поэтому.

виміру рекомендується проводити в диапазоне.

(4n+1) /8 — (4n+2) /8.

На Рис. 5.12 і 5.14 наведено залежності НВЧ — мощности.

на навантаженні і величини продетектированного сигналу від амлитуды.

вібрації за частоти вібрації 1 кГц. і початковому відстані до.

_______.

*.

Тут і далі всі розрахунки для напруги харчування 4.5 У. об'єкта (4n+1) /8, n = 0, 1, 2,… Їх аналіз показывает,.

що це установка здатна вимірювати амплітуди вібрацій в.

— 5 -2 -5 -3.

межах від 10 м. до 10 м. На ділянці 10 — 10 м. средняя.

чутливість за напругою становить 11 мкВ/мкм., по.

потужності - 30 мкВт/мм., що дає змогу провадити точные.

виміру серійно випущеної вимірювальної аппературой. На.

— 3 -2.

ділянці 10 — 10 м. чутливість різко возрастает,.

становлячи у середньому напрузі значення 56 мкВ/мкм., по.

потужності - 140 мкВт/мм, що дає змогу провадити виміру с.

допомогою непрецизионной апаратури. У разі перевищення амплитудой.

вібрації довжини хвилі (у разі 3 див.) значення НВЧ ;

потужності і величини продетектированного сигнала.

— 2 змінюються по негармоническому закону. На ділянці 10 ;

— 2.

3*10 м. відзначається нелінійний розкид значень потужності и.

продетектированного сигналу, що перешкоджає проведение.

до даному діапазоні амплітуд вибрации.

На Рис. 5.15 і 5.16 представлені частотні зависимости.

НВЧ — потужності на навантаженні і величини продетектированного на.

диоде сигналу щодо різноманітних амплітуд вібрації. Существование.

частотних залежностей пояснюється суто математическими.

особливостями машинних методів обчислення з дитинства інтегралів (в.

частковості методу трапецій), надають свій вплив на.

обчислення висловів (4.29) і (4.30). З іншого боку, на.

обчислення вплинув те що, що у вираженні (4.28) L (t).

приймає значення L0 + dl (1−0.8) протягом большего.

~.

проміжку часу, ніж інші значення, що призводить к.

зв н.

підсумовуванню переважно крайніх значень Pсвч (L) і Vдет (L). С.

зростанням частоти вібрації ці ефекти стають менее.

помітними, чтот призводить до зникнення частотных.

зависимостей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

~~~~~~~~~~~~~.

За виконання дипломної роботи було отримані следующие.

результаты:

1. Проведено аналіз сучасного стану проблеми измерения.

параметрів вибрации.

2. Збудована теоретична модель автодинного генератора на.

диоде Ганна, описано вплив просторового положения.

навантаження на параметри елементів еквівалентній схемы.

3. За підсумками побудованої моделі складено дві програми для.

розрахунку параметрів автодина на диоде Ганна.

4. Проведено моделювання роботи автодина на диоде Ганна при.

різних напругах харчування діода Ганна. Встановлено, что.

дане пристрій можна використовувати при напряжениях.

харчування від 4.4 до 5.3 Вольт.

5. Проведено моделювання роботи автодина на диоде Ганна при.

різних удалениях досліджуваного об'єкта. Встановлено, что.

практичні виміру можливі при відстанях до объекта.

[ n — (n+1) ] /4, n = 0,1,2,…, оптимальні точки для.

проведення вимірів (4n+1) /8, які по.

максимуму НВЧ — потужності на навантаженні і/або величины.

продетектированного на диоде Ганна сигнала.

6. Проведено моделювання роботи автодина на диоде Ганна при.

різних амплітудах і частотах вібрації исследуемого.

об'єкта. Встановлено, що дане устройство.

— 5 придатне для виміру вібрацій з амплітудами від 10 м.

(чутливість за напругою становить 11 мкВ/мкм.,.

— 2.

по НВЧ — потужності - 30 мкВт/мм.) до 10 м.

(чутливість за напругою 56 мкВ/мкм., по СВЧ;

потужності - 140 мкВт/мм.

~~~~~~~~~~~~~.

1. Альтшулер Ю. Р., Ссавців У. А., Усов М. У. Вимірювання малых.

амплітуд механічних переміщень із застосуванням открытого.

НВЧ резонатора // Вісті вузів. — Радіоелектроніка. ;

1975. — Т.18. — N10. — З. 93 — 98.

2. Гордєєв Б. А., Новожилов М. У., Образцов Д. І. Применение.

ультразвукового методу в вибродиагностике легковых.

автомобілів // Метрологія. — 1990. — N6. — З. 33 — 36.

3. Задо Є. Когерентные світлові методи виміру параметров.

механічних коливань // Зарубіжна радіоелектроніка. ;

1975. — N12. — З. 70 — 76.

4. Вікторів У. А., Лункин Б. У., Совлуков А. З. Радиоволновые.

виміру параметрів технологічних процесів, — М.:

Энергоиздат. — 1989. — З. 124 — 162.

5. Коломойцев Ф. М., Быстряков М. П., Снежко Є. М., Налча Г.

І., Харагай А. З. НВЧ установка для виміру вібрацій //.

Вимірювальна техніка. — 1971. — N11. — З. 45 — 46.

6. Коган І. М., Тамарчак Д. Я., Хотунцев Ю. Л. Автодины //.

Результати науку й техніки. — Радіоелектроніка. — 1984. — Т.33.

— З. 3 — 175.

7. Коротов У. І., Хотунцев Ю. Л. Энергетические.

характеристики допплеровских автодинов на.

напівпровідникових приладах // Радіотехніка і электроника.

— 1990. — Т.35. — N7. — З. 1514 — 1517.

8. Шоклі У. Теорія електронних напівпровідників. Пер. з англ.

/ під ред. Жузе. — М.: Іноземна література. — 1953. ;

З. 558.

9. Єленський У. Р. Инжекционно — пролітні діоди з проколом.

бази, BARITT — діоди // Зарубіжна радіоелектроніка. ;

1977. — N11. — З. 98 — 103.

10. Вальд — Перлів У. М., Сиберцев Л. З., Тагер А. З. О.

мінімальному рівні амплитудного шуму генераторів на.

лавинно — прогонних диодах // Радіотехніка і электроника.

— 1976. — Т.21. — N2. — З. 357 — 363.

11. Усанов Д. А., Горбатов З. З., Семенов А. А. Зміна вида.

вольт — амперной характеристики діода Ганна в зависимости.

від режиму його роботи з НВЧ // Вісті ВУЗов.

— Радіоелектроніка. — 1991. — Т.34. — N5. — З. 107 — 108.

12. Васильєв Д. У., Витель М. Р., Горшенков Ю. М. і др.

Радіотехнічні кайдани й посадили сигнали / під ред. Самойло До. А. ;

М.: Радіо і зв’язок. — 1982. — З. 48 — 49.

13. Еберт До., Эдерер Х. Комп’ютери. Застосування в хімії. Пер.

з ньому. — М.: Світ, — 1988. — З. 235 — 241.

14. Корн Р., Корн Т. Довідник з математики для научных.

працівників і інженерів. Пер. з амер. / під ред.

Арамаковича І. Р. — М.:Наука. — 1973. — З. 146 — 150.

15. Будак Б. М., Фомін З. У. Кратні інтеграли і ряди. ;

М.:Наука. — 1965. — З. 449 — 458.

16. Маккракен Д., Дорн У. Чисельні методи лікування й программирование.

на ФОРТРАНе. Пер. з анг. / під ред. Наймарка Б. М. ;

М.:Мир. — 1977. — З. 205 — 207.

17. Беррі Р., Микинз Б. Мова Сі. Запровадження для прогораммистов.

Пер. з анг. — М.: Фінанси і статистика. — 1988.