С. 111—118. [Grodzensky S. Ya. Application of the method of sequential analysis for routine tests of products, the reliability of which is distributed according to the Weibull // Proceedings of Conferences on Electronic Engineering. — 1971. — № 8. — P. 111—118. (In Russian.)].
7. Постовалов С. Н. Проверка простых и сложных гипотез с использованием последовательного критерия Вальда // Доклады АН ВШ РФ. — 2011. — № 2 (17). — С. 140—150. [Postovalov S. N. Simple and composite hypotheses testing by sequential Wald's test // Reports of Academy of science of the Russian Higher School. — 2011. — № 2 (17). — P. 140—150. (In Russian.)].
8. Пащенко Ф. Ф. Введение в состоятельные методы моделирования систем. Ч. 1. Математические основы моделирования систем. — М.: Финансы и статистика, 2006. — 328 с. [Pashchenko F. F. Introduction into consistent methods of systems modeling. P. 1. Mathematical foundations of systems modeling. — Moscow: Finance and statistics, 2006. (In Russian.)].
9. Гродзенский С. Я., Домрачев В. Г. Рационализация контроля безотказности элементов и систем // Датчики и системы. — 2001. — № 6. — С. 8—12. [Grodzensky S. Ya., Domra-chev V. G. Rationalization of control reliability of elements and systems // Sensors and Systems. — 2001. — № 6. — P. 8—12. (In Russian.)].
10. Сhesalin A. N, Grodzensky S. Ya, Grodzensky Ya. S. Application of sequential criteria in quality control of highly reliable products // SOP transaction on statistics and analysis. — 2014. — Vol. 1, № 2. — Р. 123—130.
11. Гродзенский Я. С., Чесалин А. Н. Эффективность статистических последовательных критериев при проверке гипотез о значении параметра распределения Пуассона // Датчики и системы. — 2014. — № 8. — С. 2—5. [Grodzensky Ya. S, Chesalin A. N. The effectiveness of statistical sequential criteria for the hypotheses testing about the parameter value of the Poisson distribution // Sensors and Systems. — 2014. — № 8. — P. 2—5. (In Russian.)].
УДК 629.78:535.3.001.53
ПОГРЕШНОСТИ РЕГИСТРАТОРА ПАРАМЕТРОВ СВЕТОВЫХ ЯВЛЕНИЙ, ВЫЗВАННЫХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ УДАРОМ
ERRORS OF MEASUREMENT OF THE MODULE FOR REGISTRATION OF PARAMETERS OF THE LIGHT PHENOMENA CAUSED BY HIGH-SPEED IMPACT
Кривобоков Евгений Эдуардович
инженер
E-mail: Krv-Evgeny@yandex.ru
Телегин Алексей Михайлович
канд. физ. наук, ст. научн. сотрудник
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (Национальный исследовательский университет), г. Самара
Аннотация: Рассмотрено проектирование лабораторного стенда для исследования световых явлений при высокоскоростном ударе твердых микрочастиц алюминия об открытую конструкцию космических аппаратов. Получены оценки погрешностей, возникающих при сборе и обработке полученных результатов. Ключевые слова: высокоскоростной удар, космический мусор, метеороид, космический аппарат, световая вспышка, фото-электроный умножитель, микроконтроллер, усилитель, оптическая развязка.
Krivobokov Yevgeny Je.
Engineer
E-mail: Krv-Evgeny@yandex.ru
Telegin Alexey M.
Ph. D. (Phys.), Senior Researcher
Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National research university), Samara city
Abstract: The designing is considered of the laboratory stand for research of the light phenomena by high-speed impact of firm aluminum microparticles against airframe of space vehicle. Estimations are obtained for errors while processing of the received results.
Keywords: high-speed impact, space dust, meteoroid, space vehicle, light flare, photoelectronic multiplier, microcontroller, amplifier, optical outcome.
ВВЕДЕНИЕ
На начальных этапах освоения космического пространства рассматривалась возможность столкновения космических аппаратов (КА) с телами природ-
ного происхождения из состава метеорной материи. Однако с развитием космической техники и увеличением количества запусков ракет околоземное космическое пространство стало
засоряться различного размера фрагментами ракетно-космической техники от отработанных ступеней до продуктов горения топлива — космическим мусором (КМ) [1].
Частицы КМ, имеющие высокую энергию, могут создавать эрозию поверхности, царапины, кратеры и серьезные пробоины обшивки КА. Образовавшаяся в зоне удара плазма, негативно влияет на научную аппаратуру и оптические системы такие как: линзы, защитные стекла, зеркала, иллюминаторы. Возникают также помехи радиоканалам. Плазма имеет высокую температуру, что вызывает свечение области удара, регистрируемое фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) [2].
Работы по данной проблеме проводились в России [1, 3, 7] и за рубежом [2].
Цель данной статьи — оценка погрешностей основных функциональных узлов микроконтроллерного модуля в составе лабораторного стенда регистрации параметров световых явлений, вызванных высокоскоростным ударом микрочастиц о конструкцию космических аппаратов. Исследование имеет прикладной характер. Полученные данные о высокоскоростном соударении микрометео-роидов с космическим аппаратом (КА) помогут понять механизм воздействия возникающего электромагнитного излучения на оборудование КА, построить эффективную защиту КА от данного вида излучения.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА
Предлагаемая структурная схема прибора для регистрации метеороидов показана на рис. 1. Проектируемый модуль строится на основе ускорителя микрочастиц, необходимого для их разгона [3]. Система содержит три канала. Это позволит наблюдать процесс соударения с разных точек обзора. В качестве первичного преобразователя,
Информационный канал 1
Рис. 1. Структурная схема микроконтроллерного модуля
позволяющего регистрировать световые вспышки после соударения частиц с мишенью, используется ФЭУ. Положение мишени можно менять с помощью шагового двигателя. Использование мишеней с различными покрытиями позволяет произвести дополнительное исследование соответствия полученных от ФЭУ данных с параметрами кратеров в элементах конструкции КА, используемых в качестве мишени.
Для исследования были выбраны частицы алюминия размерами 1...10 мкм, образующиеся при сжигании топлива в двигательных установках КА.
Выходной сигнал ФЭУ требует предварительного усиления. Усиленный сигнал подвергается фильтрации и затем преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП. Полученный цифровой сигнал записывается в память структуры FIFO, откуда данные поступают в микроконтроллер (МК) и
далее по оптическому каналу передаются на ПК. МК также осуществляет управление шаговыми двигателями поворота мишеней, выбор канала осуществляется посредством демульти-плексора.
Обмен данными с блоком электроники происходит по оптически развязанному каналу.
Примерное расположение ФЭУ в испытательной камере представлено на рис. 2. На рисунке показана камера 1, в которой находятся ускоритель частиц 2, ФЭУ 3, а также исследуемый фрагмент космического аппарата или сам аппарат 4.
Рис. 2. Пример расположения ФЭУ в камере
РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ
При расчете погрешностей функциональных блоков, начиная с первичного преобразователя сигнала — ФЭУ и заканчивая АЦП, считаем их некоррелированными.
Кроме случайной погрешности каждый блок вносит систематическую погрешность. Желательно, чтобы систематические погрешности блоков имели разные знаки для уменьшения суммарной погрешности [4].
В качестве ФЭУ выберем модель Я9220 фирмы НАМА-МАТ8и. Длительность сигнала, поступающего с ФЭУ, примем равной 10x10 6 с [6]. Тогда частота сигнала ФЭУ / фэу (Гц) составит:
Лфэу = 1/т^фэу = 0,1 МГц, (1)
где ^ фэу — длительность сигнала с ФЭУ, с.
Напряжение на выходе ФЭУ будет равно иФЭУ = /ФЭухЯ, где 1фЭу — выходной ток ФЭУ; Я — номинальное сопротивление резистора нагрузки ФЭУ, Ом. При Я = 50 Ом и /фэу = 0,1 мА Цфэу составит 5 мВ.
Резистор Я включен параллельно ФЭУ и усилителю. Зная амплитуду выходного сигнала ФЭУ и уровень шума, можно определить отношение сигнал/шум С/Ш, принимая за шум темно-вой ток ФЭУ /фэу тем, и входной сигнал усилительного каскада. По этим параметрам определим требуемое эффективное количество разрядов т аналого-цифрового преобразователя. Соотношение сигнал/шум для ФЭУ имеет вид [6]:
С/Ш =
= 1Qxlog10
/фэух R
1фЭУ тем Х R
2
1 л/Ч wv^
/
Г
1 \ л Ii
J /V 1
VJ
Рис. 3. Осциллограмма выходного напряжения многопараметрического детектора:
масштаб по вертикали: 1 — 50 мВ/деление, 2 — 500 мВ/деление; масштаб по горизонтали — 50 мкс/деление
что при заданных значениях величин составит 66,021 дБ.
Погрешность измерения, приведенная к максимальной амплитуде измеряемой величины, для ФЭУ Я9220 равна:
8ФЭУ =
_ I ФЭУ тем = 5х10~4
In
'ФЭУ
От ударных вспышек, фиксируемых ФЭУ, на его выходе возникают короткие импульсы напряжения (рис. 3) [7]. Сигнал регистрировался многопараметрическим детектором.
Выбор минимальной частоты дискретизации осуществляется в соответствии с теоремой дискретизации [8], согласно которой
/д ^ 2/иФЭУ, (3)
где /Д — частота дискретизации, Гц; / фэу — частота сигнала с ФЭУ, Гц, что в нашем случае составит 0,2 МГц. Выберем частоту дискретизации в 10 раз больше найденной, т. е. /Д = = 10x0,2 = 2 МГц.
Разрядность т аналого-цифрового преобразователя определяется формулой [6]:
(2)
m = log2
1
1£ацп
= log2
1 ^
0,02 У
где £дцп — заданная погрешность преобразования.
Если воспользоваться преобразователем с меньшим эффективным разрешением, соответственно увеличив частоту дискретизации, АЦП будет вносить меньше шума. Если применить один АЦП для всех каналов, то будет проще выполнить трассировку печатной платы, но шумовые параметры ухудшатся, так как появятся помехи при коммутации каналов в АЦП. Поэтому целесообразно использовать один АЦП на канал.
Характеристики усилительного каскада определяются в зависимости от требуемого значения входного сигнала АЦП
К [8]:
V _ иАЦП вх
Ки = -Тт-,
ифЭУ
где Ки — коэффициент усиления по напряжению; ^Ацп ВХ — входное напряжения АЦП; Цфэу — напряжение на выходе ФЭУ.
В нашем случае требуется Ки = 400. Итак, усилительный каскад имеет следующие характеристики: ивх = 5
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.