Всеукраїнська науково-практична конференція



Сторінка26/60
Дата конвертації11.05.2018
Розмір3.74 Mb.
1   ...   22   23   24   25   26   27   28   29   ...   60

Борисов В.М., Кенс І.Р.


НЛТУ України (Україна)

МОЖЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМП’ЮТЕРА

ДЛЯ ДОСЛІДЖЕНЬ ДЕРЕВИНИ



Програмне та апаратне забезпечення сучасних персональних комп’ютерів з багато-функціональною звуковою картою дозволяє проводити обробку як різноманітних аудіо, так і аналогових вимірювальних сигналів дослідження фізико-механічних властивостей деревини.
Деревина, завдяки своїй структурі та хімічному складу є анізотропним матеріалом, який чутливо реагує на зміни оточуючого середовища і зовнішнього навантаження. Дослідження її властивостей потребує контролю одночасно цілого комплексу параметрів: температури і вологості середовища та деревини, параметрів пружності, міцності, зміну розмірів – у трьох напрямках, вагу і багато інших. Сповільненість процесів тепломасоперенесення викликає нерівномірності стану в матеріалі, а пластичність деревини та внутрішні напруження обмежують час вимірювань [1]. Автоматизація досліджень властивостей деревини з найменшими витратами на обладнання, з покращенням точності та повноти інформації є актуальною проблемою.

Дослідження властивостей матеріалів пов’язане, як правило, з сигналами аналогового характеру. Для оброблення аналогових сигналів за допомогою ПК створюються вимірювально-обчислювальні системи, до складу яких входять генератори тестових сигналів, комутатори, давачі, підсилювачі, фільтри, аналогово-цифрові перетворювачі (АЦП), блоки живлення, осцилографи, спеціальне програмне забезпечення окремих приладів і ПК. Вартість таких систем багаторазово перевищує вартість ПК, а для узгодження роботи вузлів у кожному режимі необхідно проводити численні налаштування. Складність та вартість таких систем обмежують їх застосування для наукових досліджень. Окресливши можливості та обмеження вузлів ПК, за рахунок розширення їх використання вирішується задача спрощення засобів дослідження.

Основним пристроєм у складі сучасного комп’ютера для оброблення аналогових сигналів є звукова карта (ЗК). Структура вхідного каналу ЗК сильно схожа на «класичний» канал вводу в комп’ютер аналогового сигналу, що містить перший підсилювач, фільтр низьких частот (ФНЧ), другий підсилювач, АЦП та вузли інтерфейсу. Функція підсилювачів зводиться до узгодження динамічного діапазону сигналу з фільтром та АЦП відповідно, що підвищує якість інформації. Коефіцієнт першого підсилювача змінюється регулюванням чутливості запису. Коефіцієнт підсилення другого підсилювача має два значення, що відрізняються на порядок, для мікрофонного чи лінійного входу ЗК.

ФНЧ виконує обмеження спектру сигналу для запобігання частотних спотворень в АЦП. Частота квантування ЗК вибирається оператором. Для частот квантування до 44 кГц частота зрізу ФНЧ автоматично призначається драйвером ЗК. Для вищих частот квантування частота зрізу ФНЧ, як правило, не змінюється, а залишається на рівні 22-28 кГц в залежності від марки ЗК.

Вузли ЗК виконуються з низьким коефіцієнтом нелінійних спотворень та максимально рівною амплітудно-частотною характеристикою. При цьому розрядність АЦП складає 16-24 двій-кових розряди, що забезпечує низький рівень шумів дискретизації. За описаними параметрами ЗК не поступається вимірювальним каналам вимірювально-обчислювальних систем. Про високу якість каналу вводу ЗК говорить порівняння її з приладом УКФ виконаному у стандарті КАМАК за такою ж структурною схемою [2].. В якості вимірювача дійсного значення змінної напруги УКФ було атестовано з допустимою похибкою 0,1% у звуковому діапазоні частот. АЦП цього приладу мав похибку дискретизації у шістнадцять разів більшу, а частотний діапазон удвоє менший.

Відмінності вхідного каналу ЗК від спеціалізованого каналу вводу полягає в обмеженні спектру сигналу знизу. Це обмеження виникає внаслідок застосування роздільної ємності на вході ЗК як запобіжного заходу для уникнення пошкоджень підсилювача. Таким чином смуга пропускання вхідного каналу обмежується знизу на частоті від 20 до 80 Гц, а зверху – на частоті 20-26 кГц в залежності від марки ЗК.

Достатньо широка смуга пропускання ЗК задовольняє потреби роботи з багатьма давачами, що використовуються для дослідження деревини. У вказаному діапазоні частот можуть працювати кондукторні та ємнісні вологоміри і термометри деревини та повітря, акустичні прилади визначення механічних характеристик деревини, електричні прилади визначення розмірів та переміщень тощо. Усі давачі, що передають інформацію амплітудою сигналу або частотою у цьому діапазоні можна приєднати до ПК, узгодивши рівні сигналів.

ЗК комп’ютера містить не тільки канал вводу, але і канал виводу аналогової інформації. Цей канал зручно використовувати в якості функціонального генератора з програмованою формою хвилі. Форма сигналу задається послідовністю числових значень записаних у файлі. Ці значення із заданою тактовою частотою передаються у цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) ЗК, вихідна напруга якого встановлюється пропорційною до заданого числа. В якості ЦАП у ЗК використовуються високоякісні прилади великої розрядності, що дозволяє отримувати сигнали складної структури у широкому діапазоні амплітуд. Цьому сприяє застосування у ЗК двох регульованих підсилювачів: підсилювача синтезатора та загального підсилювача звукового сигналу. Вихідний сигнал ЗК, як правило, не перевершує за амплітудою одного вольта на навантажені 32 Ом. Вихідні каскади підсилювача мають захист від короткого замикання.

Вхідний та вихідний канали ЗК складаються із двох ідентичних пристроїв для роботи зі стерео сигналами. Використання цих пристроїв розкриває широкі можливості генерування двохкоординатних тестових сигналів для випробування об’єктів дослідження та аналізу їх реакції на поданий сигнал. Робота ЦАП і АЦП в ЗК задається тактовими імпульсами від спільного генератора, і може бути легко синхронізована. Це надає додаткові переваги у спрощені аналізу сигналів, отриманих з об’єкту дослідження. Крім того програмне перемикання стереоканалів виконує функції внутрішнього комутатора аналогових сигналів давачів.

Авторами більше десяти років використовується ПК для дослідження амплітудно- та фазочастотних характеристик, а також проводились дослідження динамічних параметрів об’єктів за допомогою імпульсних сигналів та відповідного програмного забезпечення, як спеціально розробленого так і підібраного з загальновідомих пакетів.

Відповідно до вимог експериментів апаратні можливості ПК за цей період було розширено вихідними та вхідними підсилювачами для забезпечення достатньої амплітуди тестових сигналів та узгодження вхідного опору ЗК та рівня сигналу з окремих давачів. Для збільшення числа вимірювань в експерименті був розроблений модуль комутації, який дозволяє диференційно підключати до 16 різнорідних давачів (можливе розширення до 32) і додатково проводити модуляцію сигналів низького рівня постійної напруги. Швидкодіючий електронний модулятор дозволяє здійснювати гетеродинне перетворення частоти, і обробляти сигнали високих частот Таким чином розширюється смуга пропускання каналу як вниз, так і наверх. Універсальність отриманого засобу дозволила: а) дослідити зону чутливості кондукторного вологоміру деревини; б) дослідити властивості вільної та зв’язаної вологи в деревині; в) реалізувати метод визначення кількості вологи різних фаз у деревині; г) досягти похибки у 0,8 м/с у вимірюваннях швидкості звуку в деревині на малих зразках довжиною 5-10 см, що на порядок менше похибки інших засобів; д) виявити залежність швидкості сушінні деревини від внутрішніх та зовнішніх напружень. Крім того отримані дані, стосовно природи гістерезису сорбції, міцності деревини та механізму утворення тріщин.

Отриманий досвід оброблення аналогових сигналів доводить, що використання ПК для наукових досліджень деревини розширює можливість багатоканальних і практично одночасних вимірювань різнорідних параметрів матеріалу та середовища, дозволяє автоматизувати проведення експерименту. Навіть без додаткових пристроїв на ПК можливо провести численні вимірювання. Залучення додаткового вихідного підсилювача перетворює комп’ютер у якісний комплексний програмований прилад генерування тестових сигналів та аналізу реакції на них. Порівняння результатів отриманих на ПК і за допомогою спеціалізованого вимірювального приладу – цифрового осцилографа Z320, доводять, що з використанням вузлів ЗК комп’ютера можливі створення та метрологічна атестація компактних вимірювальних систем для досліджень з широкими можливостями та обмеженою вартістю.


ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ

  1. ГОСТ 16483.11-72. Древесина. Метод определения условного предела прочности при сжатии поперек волокон. – М. . ИПК Изд-во стандортов, 1999. – 6 с.

  2. ТУ 88-ЮД2.067.004ТУ-88. Фильтр программируемый звуковых частот (165). – М. . Изд-во АН СССР, 1988. – 44с.

УДК 004.35


Поділіться з Вашими друзьями:
1   ...   22   23   24   25   26   27   28   29   ...   60


База даних захищена авторським правом ©wishenko.org 2017
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка