Датчики и системы, № 1, 2020
Sensors and Systems, N 1, 2020
С О Д Е Р Ж А Н И Е и А Н Н О Т А Ц И И
C O N T E N T & A B S T R A C T S
ТЕОРИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
THEORY AND CONSTRUCTION PRINCIPLES OF SENSORS, DEVICES AND SYSTEMS
Пикина Г. А., Пащенко Ф. Ф.
СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНОЙ ПО ВРЕМЕНИ СИСТЕМЫ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ ПЕРЕХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ … 3
Аннотация: Дан вывод алгоритма оптимального по времени (максимального быстродействия) регулятора для динамической системы третьего порядка. В качестве объекта исследования принята модель с экстремальной переходной характеристикой второго порядка с запаздыванием; электрический исполнительный механизм постоянной скорости представлен интегрирующим звеном. Синтез основан на принципе максимума Понтрягина и описании динамики системы в пространстве состояний с помощью канонических переменных. Выполнена проверка правильности полученного результата по доказанной А. А. Фельдбаумом теореме о количестве переключений направления перемещения регулирующего органа на интервале управления. Для вычисления канонических переменных состояния предложено использовать измеряемые на реальных объектах положение регулирующего органа, регулируемую величину и вычисляемую по ее значениям производную. Переход от измеряемых физических параметров к каноническим переменным выполняется с помощью полученных в работе формул преобразования подобия. Дано решение относительно вычисления заданных значений переменных состояния и алгоритма их прогнозирования в целях компенсации чистого запаздывания в модели объекта.
Ключевые слова: оптимальный по времени алгоритм регулирования, экстремальная переходная характеристика объекта, динамическая система третьего порядка, канонические переменные состояния, принцип максимума Понтрягина.
Pikina G. A., Pashchenko F. F.
SYNTHESIS OF THIRD ORDER TIME-OPTIMAL CONTROL SYSTEM FOR OBJECTS WITH EXTREMUM TIME RESPONSE
Abstract: The receiving of time-optimal (maximum speed action) controller algorithm for a third-order dynamic system gives in the article. The studying object is a second order model with an extreme transition characteristic and delay; the electric engine of a constant speed is represented by an integrating link. The synthesis based on the Pontryagin maximum principle and the description of the system dynamics in the state space using canonical variables. Verification of the correctness of the obtained result performed according to the A. A. Feldbaum’s theorem about the number of the direction movement switches of the regulating mechanism on the control interval. For calculate the canonical state variables, it is proposed to use the position of the regulatory mechanism measured, the regulated value, and its derivative. The transition from the measured physical parameters to the canonical variables performed using the similarity conversion formulas obtained in the work. A solution given for calculating the set values of state variables and an algorithm for predicting them in order to compensate the dead-time in the object model.
Keywords: time-optimal control algorithm, extreme transient characteristic of the object, third-order dynamic system, canonical state variables, Pontryagin maximum principle.
Червова А. А., Филаретов Г. Ф., Бучаала З.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АЛГОРИТМ ОБНАРУЖЕНИЯ РАЗЛАДКИ ВРЕМЕННÓГО РЯДА … 9
Аннотация: Рассмотрена задача обнаружения спонтанного изменения характеристик (разладки) временных рядов, когда разладка проявляется в виде скачкообразного изменения значения параметра расположения функции распределения вероятностей контролируемого процесса (математического ожидания или медианы). Предлагается решать данную задачу в реальном масштабе времени с помощью последовательного непараметрического алгоритма обнаружения, основанного на использовании механизма теории случайных блужданий. Методом имитационного моделирования проведен анализ вероятностных характеристик предложенного алгоритма и его эффективности в сопоставлении с известным CUSUM-алгоритмом параметрического типа. Приведена процедура синтеза контролирующего алгоритма с заданными свойствами. Подчеркивается перспективность применения такого алгоритма в системах мониторинга различного назначения, обычно создаваемых в условиях дефицита априорной информации о свойствах контролируемого процесса.
Ключевые слова: разладка временнóго ряда, обнаружение изменения параметра расположения, последовательный непараметрический алгоритм обнаружения, механизм случайных блужданий, вероятностные характеристики алгоритма, эффективность алгоритма, синтез контролирующей процедуры, системы мониторинга.
Chervova A. A., Filaretov G. F., Bouchaala Z.
SEQUENTIAL NON-PARAMETRIC ALGORITHM FOR DETECTING BREAKDOWN OF TIME SERIES
Abstract: The problem of detecting spontaneous changes in the characteristics of time series (breakdown) is considered, when the breakdown manifests itself in the form of a stepwise change in the value of the location parameter of the probability distribution function of the controlled process (mathematical expectation or median). It is proposed to solve this problem in real time applying a sequential nonparametric detection algorithm based on the use of the random walks theory mechanism. With help of the computer simulation method the probabilistic characteristics of the proposed algorithm and its effectiveness in comparison with the well-known CUSUM-algorithm of parametric type are investigated. The synthesis procedure of the controlling algorithm with the specified properties is given. It emphasizes the perspectiveness of using such an algorithm in monitoring systems for various purposes, usually created in conditions of deficit of a priori information about the controlled process properties.
Keywords: time series breakdown, detection of changes in location characteristics, sequential nonparametric detection algorithm, random walks mechanism, probabilistic characteristics of the algorithm, algorithm efficiency, synthesis of the control procedure, monitoring systems.
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
DESIGN AND PRODUCTION OF SENSORS, DEVICES AND SYSTEMS
Бусурин В. И., Штек. С. Г., Жеглов М. А., Ха Мань Тханг, Данг Ван Хуен
МОДЕЛЬ РАМОЧНОГО МИКРООПТОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ С ПЬЕЗОБИМОРФНЫМИ БАЛКАМИ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ … 17
Аннотация: Предложена модель рамочного преобразователя, угловых скоростей с биморфным пьезоактюатором для создания первичных колебаний и оптическим считыванием информации об угловой скорости интерферометрическим методом. Приведены полученные выходные характеристики и оценки характерных параметры преобразователя.
Ключевые слова: преобразователь, угловая скорость, рамочный элемент, пьезоэффект, биморфная балка, оптическое считывание, отражательная способность, интерферометр Фабри-Перо.
Busurin V. I., Stek S. G., Zheglov M. F., Ha Manh Thang, Dang Van Khuyen
MODEL OF MICROOPTOELECTROMECHANICAL FRAME ANGULAR VELOCITY TRANSDUCER USING PIEZO BIMORPH OF BEAMS FOR EXCITATION OF PRIMARY OSCILATIONS
Abstract: The article considers a new model of a microoptoelectromechanical transducer with piezoelectric actuators for primary oscillations creation and optical interferometric sensing about angular velocity. Output characteristics are obtained and characteristic parameters of the converter are estimated.
Keywords: transducer, angular velocity, frame element, piezoelectric effect, beam, optical sensing, reflectivity, Fabry-Perot interferometer.
Сокол-Кутыловский О. Л.
О МИНИАТЮРИЗАЦИИ МАГНИТОМОДУЛЯЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ … 25
Аннотация: Рассмотрена возможность миниатюризации магнитомодуляционных датчиков слабого магнитного поля с аморфным ферромагнитным сердечником, работающих в режиме автопараметрического усиления сигнала магнитной индукции. Показано, что автопараметрическое усиление сигнала магнитной индукции в датчиках с сердечниками из лент аморфных и нанокристаллических ферромагнитных сплавов, полученных методом быстрой закалки из расплава, имеет место при длине лент от 7 мм и более. Основным фактором, ограничивающим уменьшение длины датчика, является величина магнитного поля смещения. При длине сердечников менее 30 мм необходимо применять вспомогательное постоянное магнитное поле смещения, создаваемое дополнительной катушкой или постоянным магнитом, расположенным рядом с датчиком.
Ключевые слова: магнитомодуляционный датчик, аморфный ферромагнитный сплав, автопараметрический резонанс.
Sokol-Kutylovskii O. L.
ABOUT MINIATURIZATION OF MAGNETOMODULATION SENSORS
Abstract: The possibility of the miniaturization of magnetomodulation sensors of a weak magnetic field with an amorphous ferromagnetic core operating in the autoparametric amplification mode of the magnetic induction signal is considered. It is shown that autoparametric amplification of the magnetic induction signal in sensors with cores made from strips of amorphous and nanocrystalline ferromagnetic alloys, obtained by the method of rapid quenching from the melt, is observed with a length of strips of 7 mm and more. The main factor limiting the reduction in the length of the sensor is the magnitude of the magnetic displacement field. If the cores are less than 30 mm in length, an auxiliary constant bias magnetic field created by an additional coil or a permanent magnet located next to the sensor should be used.
Keywords: magnetomodulation sensor, amorphous ferromagnetic alloy, autoparametric resonance.
Кваснов А. В.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ ДО ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПО ЭНЕРГОПОТЕНЦИАЛУ ПРИНИМАЕМОГО СИГНАЛА … 29
Аннотация: Предложен подход, позволяющий определять дальность до источника радиоизлучения по известному энергопотенциалу принимаемого сигнала на основе двухэтапной модели. Первый этап – распознавание класса радиоизлучающего объекта по установленным радиотехническим параметрам (несущая частота, длительность импульса, период повторения импульсов и так далее) и анализ основных тактико-технических характеристик объекта (излучаемая мощность, коэффициент усиления антенны и так далее). На втором этапе решается основное уравнение радиолокации относительно искомой дальности для исследуемой трассы “излучатель – приемник”. Приведен аналитический расчет погрешности определения дальности до излучающих радиолокационных станций различных классов.
Ключевые слова: источник радиоизлучения, энергопотенциал сигнала, основное уравнение радиолокации, дальность обнаружения.
Kvasnov A. V.
METHOD OF DETERMINE THE DISTANCE FOR RADAR EMITTING SOURCE BY THE ENERGY POTENTIAL OF THE RECEIVED SIGNAL
Abstract: The article discusses a procedure for the distance determination to radar emitting source from the known energy potential of the received signal. The distance estimation procedure involves a two-stage model. In the paper, an analytical calculation of the range error for typical radiating radar stations was carried out, which showed the possibility of applying the method in modern multifunctional complexes.
Keywords: basic radar equation, radar emitting source, energy potential of received signal.
Ажаева Л. А., Грабов А. Б., Суханов В. И., Тимофеев Б. В.
АМР-СЕНСОР ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВА NI0,76FE0,18CO0,06 … 35
Аннотация: Представлены основные характеристики тонкопленочных сенсоров магнитной индукции, созданных на основе магниторезистивных полосок, ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания исходной пленки ферромагнетика Ni0,76Fe0,18Co0,06. Показано, что такое техническое решение позволяет создавать сенсоры, технические характеристики которых не уступают характеристикам АМР-сенсоров с Барбер-полосками.
Ключевые слова: АМР-сенсор магнитной индукции, анизотропный магниторезистивный эффект, тонкопленочный магниторезистор.
Azhayevа L. A., Grabov A. B., Sukhanov V. I., Timofeev B. V.
DEVELOPMENT OF AMP SENSOR INDUCTION OF EARTH MAGNETIC FIELD BASED ON THIN FILMS NI0.76FE0.18CO0.06 ALLOY
Abstract: The main characteristics of thin-film magnetic induction sensors developed on the basis of the magnetoresistive strips oriented on 45° to anisotropy axis of the Ni0.76Fe0.18Co0.06 alloy are presented. It is shown that this technical solution allows the creation of magnetic induction sensors, the metrological characteristics of which are not inferior to the characteristics of known sensors with Barber poles.
Keywords: AMR-sensor of magnetic induction, anisotropic magnetoresistive effect, thin-film magnetoresistor.
Мисеюк О. И., Волченков В. И.
УСТРОЙСТВО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В ДАТЧИКЕ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ … 42
Аннотация: Для датчика напряженности электрического поля в проводящей среде рассмотрены условия и способы согласования по шумам первичного преобразователя c предварительным усилителем, обеспечивающие высокую чувствительность измерительного тракта. Приведена оценка влияния шумовых источников в датчике на коэффициент шума измерительной системы и определены требования к электронным блокам датчика.
Ключевые слова: датчик напряженности электрического поля; первичный преобразователь; согласующий трансформатор; предварительный усилитель; предельная чувствительность, коэффициент шума.
Miseyuk O. I., Volchenkov V. I.
DEVICE FOR PRELIMINARY PROCESSING OF THE PRIMARY TRANSDUCER SIGNAL IN ELECTRIC FIELD STRENGTH SENSOR
Abstract: For a sensor of electric field strength in a conducting medium, the noise matching conditions and methods for the primary transducer and the preliminary amplifier are considered ensuring high sensitivity of the measuring path. The influence of the noise sources in the sensor on the noise figure of the measuring system is evaluated and the requirements to the sensor electronic components are determined.
Keywords: electric field strength sensor; primary converter; matching transformer; preamplifier; ultimate sensitivity, noise figure.
Чистяков Д. А., Разинкин В. П.
СИНТЕЗ И РЕАЛИЗАЦИЯ ЦИФРОВОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВИБРАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ … 47
Аннотация: Описаны синтез и технические аспекты реализации цифрового фильтра для обработки сигналов вибрационных датчиков. С целью уменьшения влияния шумов в предложенной структуре фильтра последовательно включены корректор предыскажений и фильтр нижних частот. Алгоритмы фильтрации реализуются с помощью чипсета MT7688AN. Приведена оценка быстродействия реализованных алгоритмов.
Ключевые слова: фильтр, конечная импульсная характеристика, обработка сигналов.
Chistyakov D. A., Razinkin V. P.
SYNTHESIS AND IMPLEMENTATION OF DIGITAL FILTER FOR VIBRATION SIGNALS PROCESSING
Abstract: The study and technical aspects of the implementation of filter are described. Filters are constructed for the task of processing vibrational signals. Filter algorithms are implemented as part of the MT7688AN SoC program. The performance of the implemented algorithms is evaluated.
Keywords: filter, FIR, signal processing.
Осипов А. Б.
СОХРАНЕНИЕ ДАННЫХ АВТОНОМНОГО РЕГИСТРАТОРА В ВИДЕ ГРАФИКОВ АМПЛИТУДНОГО СПЕКТРА … 51
Аннотация: Описан способ хранения записей данных вибродатчиков в памяти автономного регистратора. Хранение проводится в виде массивов данных, представляющих собой амплитудный спектр реализации зарегистрированного удара.
Ключевые слова: вибродатчики, энергонезависимая память, формат записи данных, амплитудный спектр.
Osipov A. B.
STORAGE OF THE AUTONOMOUS RECORDER DATA AS SPECTRAL SCHEDULES
Abstract: A method for storing vibration sensor data records in the memory of an autonomous recorder is described. Storage is carried out in the form of data arrays representing the spectral form of the recorded strike.
Keywords: vibration sensors, non-volatile memory, data recording format, spectral schedule.
Датчики и приборы для биомедицины
Богомолов А. И., Невежин В. П., Пащенко А. Ф.
СИСТЕМЫ ПЕРСОНИФИЦИРОВАННОЙ ЦИФРОВОЙ МЕДИЦИНЫ … 57
DOI: 10.25728/datsys.2020.1.10
Аннотация: В контексте основных направлений Государственной программы “Развития здравоохранения” и подпрограммы: “Развитие и внедрение инновационных методов диагностики, профилактики и лечения, а также основ персонализированной медицины” рассматриваются типы носимых устройств и микросхем для мониторинга физиологических показателей пациента с целью выявления предрасположенностей к развитию заболеваний и признаков внезапного наступления кризиса сердечнососудистой системы.
Ключевые слова: персонифицированная медицина, датчики, телемедицина, диагностика, искусственный интеллект.
Bogomolov A. I., Nevezhin V. P., Pashchenko A. F.
PERSONALIZED DIGITAL MEDICINE SYSTEMS
Abstract: In the context of the main directions of the State program “Development of health care” and the subprogram: “Development and introduction of innovative methods of diagnosis, prevention and treatment, as well as the foundations of personalized medicine,” types of wearable devices and microcircuits for monitoring physiological indicators of the patient are considered in order to identify predispositions to the development of diseases and signs of sudden onset of a cardiovascular crisis.
Keywords: personalized medicine, sensors, telemedicine, diagnostics, artificial intelligence.