Xreferat.com » Рефераты по радиоэлектронике » Исследование возможности использования эффекта автодинного детектирования в генераторах на диоде Ганна для контроля параметров вибрации

Исследование возможности использования эффекта автодинного детектирования в генераторах на диоде Ганна для контроля параметров вибрации

СОДЕРЖАНИЕ.

~~~~~~~~~~~

лист

1. ВВЕДЕНИЕ. 2

2. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ. 3

Контактные методы измерения вибрации.

Бесконтактные методы измерения вибрации.

3. АВТОДИНЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ. 9

4. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 12

Составление модели автодина на диоде Ганна.

Теоретическое описание нагрузки.

Принципы построения программ.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ. 22

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 39

7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 40

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Данные о вычислительном комплексе. 42

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Текст программы для моделирования работы

автодина на диоде Ганна HANN.SAV. 43

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Правила пользования программой HANN.SAV. 55

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Текст программы для моделирования работы

виброизмерителя на диоде Ганна VIBRO.SAV. 56

ВВЕДЕНИЕ.

~~~~~~~~~

Современные технологии требуют непрерывного контроля за

многими параметрами технологического процесса и контроля

состояния оборудования. Одними из важнейших являются параметры

механического движения, в частности параметры

периодических перемещений исследуемого объекта в пространстве

( вибрации ). Этими параметрами являются виброперемещение

( амплитуда вибрации ) и виброскорость ( частота вибрации ).

Подобный контроль необходим в самых разных областях: в

полупроводниковой электронике ( контроль вибрации установок

для выращивания кристаллов ), в микроэлектронике ( вибрация

установок фотолитографии ), в машиностроении ( вибрация

станков и биение деталей ), в автомобильной промышленности

( контроль вибрации отдельных узлов автомобилей и всего

автомобиля в целом ), на железнодорожном транспорте ( датчики

приближения поезда ), в энергетике ( контроль вибрации лопаток

газовых турбин ), в авиастроении ( контроль биений турбин ) и

т.д. Этот список можно продолжать достаточно долго, что

говорит о необходимости создания высокоточных вибродатчиков.

В настоящее время разработано достаточно много

вибродатчиков, основанных на различных эффектах ( см. главу

2 ). Все они имеют свои преимущества и недостатки. Кроме того,

существуют определенные трудности в теоретическом описании

и моделировании работы вибродатчиков.

Целью дипломной работы являлось исследовоние возможности

использования эффекта автодинного детектирования в

полупроводниковых СВЧ - генераторах на диоде Ганна для

создания измерителей параметров вибрации и особенностей их

работы.

2. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ. ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Существует две группы методов измерения параметров

вибраций: контактные, подразумевающие механическую связь

датчика с исследуемым объектом, и бесконтактные, т.е. не

связанные с объектом механической связью.

Рассмотрим вначале контактные методы. Наиболее простыми

являются методы регистрации вибраций с помощью

пьезоэлектрических датчиков. Они позволяют проводить

измерения с высокой точностью в диапазоне низких частот и

относительно больших амплитуд вибрации, но вследствии своей

высокой инерционности, приводящей к искажению формы сигнала

делает невозможным измерение вибраций высокой частоты и малой

амплитуды. Кроме того, если масса исследуемого объекта, а

следовательно и его инерционность не велика, то такой датчик

может существенно влиять на характер вибрации, что вносит

дополнительную ошибку в измерения.

Эти недостатки позволяет устранить метод открытого

резонатора, описанный в [1]. Суть метода заключается в

измерении параметров СВЧ резонатора, изменяющихся вследствие

вибрации исследуемого объекта. Резонатор имеет два зеркала,

причем одно из них фиксировано , а другое механически связано

с исследуемым объектом. Регистрация перемещений при малых

амплитудах вибраций производится амплитудным методом по

изменению выходной мощности в случае проходной схемы включения

резонатора или отраженной мощности, в случае применения

оконечного включения. Этот метод измерения требует постоянства

мощности, подводимой к резонатору и высокой стабильности

частоты возбуждения.

В случае больших амплитуд вибраций регистрируется смещение резонансной частоты, что можно сделать с очень

высокой точностью. Для повышения добротности и уменьшения

дифракционных потерь используют сферические зеркала.

Разрешающая способность данного метода 3 мкм. Метод

обладает малой инерционностью по сравнению с описанным выше,

но его применение рекоменуется, если масса зеркала

принципиально меньше массы исследуемого объекта.

Однако механическая связь датчика с исследуемым объектом

далеко не всегда допустима, поэтому последние годы основное

внимание уделяется разработке бесконтактных методов измерения

параметров вибраций. Кроме того, их общим достоинством

является отсутствие воздействия на исследуемый объект и

пренебрежительно малая инерционность.

Все бесконтактные методы основаны на зондировании объекта

звуковыми и электромагнитными волнами.

Одной из последних разработок является метод

ультразвуковой фазометрии, описанный в [2]. Он заключается в

измерении текущего значения разности фаз опорного сигнала

ультразвуковой частоты и сигнала, отраженного от исследуемого

объекта. В качестве чувствительных элементов используется

пьезоэлектрическая керамика.

На частоте ультразвука 240 кГц. чувствительность

измерения виброперемещения 10 мкм. в диапазоне от 10 до

5*10 мкм., расстояние до объекта до 1.5 м. На частоте

32 кГц. чувствительность 30 мкм., расстояние до объекта до

2 м. С ростом частоты зондирующего сигнала чувствительность

растет.

В качестве достоинств метода можно отметить дешевизну и

компактность аппаратуры, малое время измерения, отсутствие

ограничения снизу на частотный диапазон, высокую точность

измерения низкочастотных вибраций. Недостатками являются

сильное затухание ультразвука в воздухе, зависимость от

состояния атмосферы, уменьшение точности измерения с ростом

частоты вибрации.

Большое распространение получили методы, основанные на

зондировании объекта видимым светом. Описание и сравнение

основных оптических методов приведено в [3].

Все оптические методы подразделяются на две группы. К

первой относятся методы, основанные на регистрации эффекта

Допплера. Простейшим из них является гомодинный метод, который

позволяет измерять амплитуды и фазы гармонических вибраций, но

с его помощью невозможно исследовать негармонические и большие

по амплитуде вибрации. Эти недостатки можно устранить

используя гетеродинные методы. Но они требуют калибровки и,

кроме того, измерительная аппаратура сильно усложняется.

Существенным недостатком перечисленных выше методов

являются высокие требования к качеству поверхности

исследуемого объекта. Но они теряют свое значение при

использовании голографических методов, которые и образуют

вторую группу.

Голографические методы обладают высокой разрешающей

способностью ( до 0.05 ), но они требуют сложного и

дорогостоющего оборудования. Кроме того, время измерений очень

велико.

Общими недостатками оптических методов являются

сложность, громоздскость и высокая стоимость оборудования,

большое энергопотребление, высокие требования к качеству

поверхности исследуемого объекта, высокие требования к

состоянию атмосферы ( определенная влажность, отсутствие

запыленности и т.п. ). Кроме того, лазерное излучение

оказывает вредное влияние на зрение обслуживающего персонала

и требует дополнительных мер предосторожности и защиты.

Часть этих недостатков можно устранить применяя методы,

основанные на использовании СВЧ излучения [4]. Они

подразделяются на интерференционные и резонаторные. В основе

интерференционных методов лежит зондирование исследуемого

объекта волнами ВЧ и СВЧ диапазонов, прием и анализ отраженных

( рассеянных ) объектом волн. Между излучателем и исследуемым

объектом в результате интерференции образуется стоячая волна.

Вибрация объекта приводит к амплитудной и фазовой модуляции

отраженной волны и к образованию сигнала биений. У выделенного

сигнала переменного тока амплитуда пропорциональна

виброперемещению, а частота соответствует частоте вибрации

объекта.

Один из вариантов интерференционного метода описан в [5].

Установка состоит из СВЧ генератора 1 на отражательном

клистроне ( рис.1 ), который модулируется прямоугольными

___ ___ _______ 5 6 7 ||

| 1 |----| 3 |----| 4 |---||---<| ||

~T~ ~~~ ~~~T~~~ ||

___ 8 | <==>

| 2 | | ___ ____ ____

~~~ ---| 9 |---| 10 |---| 11 |

~~~ ~~~~ ~~~~

Рис. 1. Установка для измерения параметров вибраций ~~~~~~~~

интерференционным методом.

импульсами, вырабатываемыми генератором 2, вентиля для отсечки

отраженной волны 3, измерительной линии 4, приемно-передающей

антенны 5 с диэлектрической линзой 6, исследуемого объекта 7,

кристаллического детектора 8, усилителя переменного тока 9,

детектора низкой частоты 10 и индикаторного устройства 11.

Данная установка обеспечивает высокую точность измерений при значительном удалении от исследуемого объекта, обладает

малой инерционностью, не зависит от температуры. Но она

требует точной градуировки.

Резонаторные методы основаны на размещении вибрирующего

объекта в поле СВЧ резонатора ( вне или, хотя бы частично

внутри его ), вследствие чего изменяются характеристики

резонатора. На рис.2 приведена схема измерителя вибраций на

двойном Т-образном мосте.

___ ___

---| 7 |---| 8 |

| ~~~ ~~~

6 |

|| 5 3 | ___

|| >---||-------------------------||---| 4 |

|| / 2 ~~~

<==> /

/

_/_

| 1 |

~~~

Рис. 2. Измеритель вибраций на двойном Т-образном мосте. ~~~~~~~

Сигнал с СВЧ генератора 1 через двойной Т-образный мост 2

поступает на приемно-передающую антенну 3 и регулируемую

нагрузку 4. Отразившись от исследуемого объекта 5, сигнал

через двойной Т-образный мост поступает на кристаллический

детектор 6, на который одновременно приходит сигнал,

отраженный от согласованной нагрузки. Продетектированный

сигнал усиливается усилителем 7 после чего поступает на

индикаторное устройство 8. Любое смещение исследуемого объекта

вызывает разбаланс двойного Т-образного моста, что приводит к

появлению сигнала на индикаторном устройстве. Минимальное

регистрируемое виброперемещение зависит от собственных шумов

генератора, его мощности и стабильности, а также от

механической стабильности устройства.

Бесконтактное измерение параметров вибраций резонаторным методом возможно и при включении приемно-передающей антенны в

частотнозадающую цепь СВЧ генератора, т.е. при работе в

автогенераторном режиме. Такие системы называются автодинными

генераторами или просто автодинами.

В [5] приведен пример автодинного измерителя вибраций на

отражательном клистроне ( рис.3 ). Он состоит из

o -

|

|~~|~~| 1

| ~~~ |

+ | |

o--+-O-O |

| | --+--------------> Uвых

|_|___|

| || R

___ | 3 ___ 5 ||

| 2 |--------------------||---| 4 |< ||

~~~ ~~~ ||

<==>

Рис. 3. Автодинный измеритель вибраций на отражательном ~~~~~~~~

клистроне.

отражательного клистрона 1, волноводной системы 3,

короткозамыкающего поршня 2, диэлектрической антенны 4 и

исследуемого объекта 5. Вследствие вибрации объекта изменяется

режим генерации, появляется приращение постоянной составляющей

тока в цепи резонатора клистрона, а на резисторе R появляется

приращение напряжения.

Разрешающая способность данной установки до 1 мкм.

Недостаток заключается в том, что клистрон требует больших

питающих напряжений, что приводит к увеличению размеров

аппаратуры и большому энергопотреблению. Но этого можно

избежать, если в качестве СВЧ генератора использовать

твердотельные СВЧ диоды ( ДГ, ЛПД, ИПД, ТД и т.д. ).

3. АВТОДИНЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ. ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Как упоминалось выше, полупроводниковые СВЧ генераторы

обладают рядом достоинств [6,7]. Основными достоинствами

являются малые размеры и малое энергопотребление.

Сравнительные характеристики полупроводниковых СВЧ генераторов

приведены в таблице 1.

|-

|

-------

диод

+----------

| мощность

----------

КПД

----------+

смещение |

---------------|

шумы |

|

|

ЛПД

~~~

| до 12 Вт.

|

до 15 %

max 31 %

десятки |

Вольт |

сильные шумы |

лавинообраз-я |

|

|

ИПД

~~~

| десятки

|миллиВатт.

единицы

%

сотни |

миллиВольт|

слабые шумы |

|

|

|

|

|

ДГ

~~

| десятки

|миллиВатт-

| единицы

| Ватт.

зависит

от

режима

работы

|

4.5-7 В. | | |

тепловые шумы |

на уровне |

30000K (GaAs) | 1400K (InP) |

|

|

|

ТД

~~

| единицы

| и десятки

| микроВатт

единицы

%

сотни |

миллиВольт|

|

|

слабые шумы |

|

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Таблица 1. Сравнительные характеристики полупроводниковых ~~~~~~~~~~

СВЧ генераторов.

Эквивалентная схема автодина на полупроводниковом диоде

приведена на рис. 4.

__________

| |

|~| |~|

| | Yд | | Yн

|_| |_|

| |

~~~~~~~~~~

Рис. 4. Эквивалентная схема автодина на полупроводниковом ~~~~~~~

диоде.

Эта эквивалентная схема может быть описана соотношением

(3.1), согласно первому закону Кирхгофа.

. .

Iyд + Iyн = 0 (3.1)

Величина Yн явлыется проводимостью нагрузки и элементов настройки схемы, Yд - средняя проводимость полупроводникового

прибора,

. .

Yд = I1 / U1 (3.2)

. .

I1, U1 - комплексные амплитуды тока и напряжения первой

гармоники на полупроводниковом элементе. Т.к. к обеим

. проводимостям приложено одно и то же напряжение U1, можно

записать баланс мощностей:

2 2

| U2 | * Yд + | U1 | * Yн = 0 (3.3)

Активная мощность на нагрузке (3.4) положительна

2

Рн = | U1 | * Re(Yн) (3.4)

отсюда вытекает, что

2

| U1 | * Re(Yд) = - Рн (3.5)

.

т.е. Yд должна иметь отрицательную действительную часть при

существовании в системе колебаний с ненулевой амплитудой.

Наличие отрицательной проводимости характеризует трансформацию

энергии: полупроводниковый элемент потребляет энергию

постоянного тока и является источником колебаний ненулевой

частоты.

В качестве трансформаторов энергии может быть использован

ряд двухполюсников диодов: туннельный диод (ТД), лавинно -

пролетный диод (ЛПД), инжекционно - пролетный диод (ИПД) и

диод Ганна (ДГ).

Процессы в полупроводниковых приборах описываются тремя

основными уравнениями в частных производных [8]: уравнением

плотности тока, характеризующим образование направленных

потоков заряда; уравнением непрерывности, отражающим накопление

и рассасывание подвижных носителей заряда, и уравнением

Пуассона, описывающим электрические поля в полупроводнике.

Точное решение этих уравнений с учетом граничных условий

в общем виде затруднительно даже на ЭВМ. Чтобы упростить

анализ вводят эквивалентные схемы полупроводниковых приборов.

ТД представляют собой приборы, наиболее удобные для

анализа, т.к. их эквивалентная схема более проста и точна, чем

схемы других полупроводниковых приборов. С практической точки

зрения ТД представляет собой интерес при создании маломощных

автодинов в коротковолновой части сантиметрового диапазона.

ИПД (BARITT) обладает малой генерируемой мощностью [9],

но из-за низкого уровня шумов и малого напряжения питания

являются перспективными для допплеровских автодинов.

ЛПД обеспечивает наибольшие КПД и мощность колебаний

[10]. Но его главным недостатком является относительно высокий

уровень шумов, обусловленный , в первую очередь, шумами

лавинообразования.

Таким образом, на сегодняшний день наиболее подходящим

полупроводниковым СВЧ генератором для автодинов является диод

Ганна, который, хотя и имеет достаточно высокий уровень шумов

и низкий КПД, генерирует колебания достаточно высокой мощности

( от десятков миллиВатт до единиц Ватт ) и требует низкого

[11] напряжения питания ( 4.5 - 7 Вольт ).

4. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Целью данной работы являлось математическое моделирование

процессов, происходящих в автодине на диоде Ганна с

вибрирующей нагрузкой. Для этого была составлена эквивалентная

схема автодина ( рис.5 ).

c --> i2

|~~~~~~~~~~~~~~~|~~~~~~~~~~~~|~~~~~~~~|

| | > | |

| i1 | > Lk | |

| V > | |

| > | |

| |a | |

| |~~~~~~~| | |

| | | | >

|~| | |~| | >

| | Yn Cd === | | Yd === Ck > Ln

|_| | |_| | >

| | | | >

| |_______| | |

| |b | |

| | | |

| |~| | |

| | | Ys | |

| |_| | |

|_______________|____________|________|

d

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

Схема самого диода Ганна [6] включает проводимость диода

Yd, емкость диода Cd, проводимость активных потерь Ys,

индуктивность корпуса Lк и емкость корпуса Ск. К диоду

подключены волноводная система и нагрузка, которые были

представлены в виде активной проводимости нагрузки Yn и

индуктивности нагрузки Ln.

Эта эквивалентная схема описывается системой

дифференциальных уравнений (4.1-4.4), полученных с

использованием I и II законов 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)

Нагрузка с волноводной системой была представлена в виде

линии, нагруженной на комплексныю проводимость отражающей

поверхности ( рис.6 ).

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~|

. |~| .

Yn | | Z

|_|

_______________________|

Рис. 6. Представление нагрузки в виде нагруженной линии. ~~~~~~~

.

Комплексная проводимость нагрузки Yn была выражена через

коэффициент отражения волны от объекта ( нагрузки ). Для этого

была решена система уравнений (4.5-4.6) [12].

. . .

U = Uпад + Uотр (4.5)

. . .

I = Iпад + Iотр , (4.6)

. .

где Uпад, Iпад - комлексные напряжение и ток падающей волны, . .

Uотр, Iотр - комплексные напряжение и ток отраженной волны.

Коэффициент отражения представляет собой отношение амплитуд

отраженной и падающей волн.

. .

G = Uотр / Uпад (4.7)

В результате решения этой системы было получено выражение

для комплексной проводимости нагрузки.

. 1 1 - G exp ( -2 j l )

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

где Zв - импеданс пустого волновода

Zв = m m0 W / (4.9)

W - частота генератора, m - магнитная проницаемость, m0 -

магнитная постоянная, l - расстояние до объекта, - фазовая

постоянная.

Для подстановки в систему уравнений (4.1-4.4) комплексная

проводимость нагрузки

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: