WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

Универсальный образующий элемент линии сраспределенными параметрами и величинами может быть получен путем заменыкомплексных эффективных погонныхпараметровжесткости и емкости соответственно накомплексные эффективныепогонные параметры сопротивления и проводимости.

На основе анализавыражений (6) и (7) разработана таблица 1зависимости величины факторараспределенного воздействия Фi на чувствительныйэлемент от глубины фрактальной границы,иллюстрирующая последовательностьвычисления значений функций и Фi для произвольного звена i. Анализ таблицыпозволил выявить возможностьиспользования матриц с элементамифрактальной структуры для расчета этихфункций.

Таблица 1

Таблица зависимостивеличины фактора распределенноговоздействия Фi на чувствительный элемент отглубины фрактальной границы.

Совокупность значенийфункции для каждого элементарного звена определяетсявектором-строкой распределенноговоздействия размерностью как произведениематрицы распределенных параметров размерностью навектор-столбец распределенной реакции размерностью.

Полученные зависимостииспользованы для создания численногометода расчета выходных параметров линии сраспределенными параметрами ираспределенными величинами на основеиспользования матриц с элементамифрактальной структуры.

Четвертая глава посвящена разработке ФФ ЧЭ волоконно-оптического датчикадавления. В соответствии с первым этапомкомплексного метода идентификации ФФ наоснове ретроспективной и текущейинформации выполнен анализ патентной инаучно-технической литературы, которыйпоказал, что волоконно-оптические датчики фазовоймодуляции (ВОД ФМ) на данный момент являются наиболееперспективными. Принцип действия ВОД ФМоснован на регистрации изменения фазыраспространяющегося в волоконном световодеоптической волны интерферометрическимспособом, суть которого состоит в том, чтоодновременно на фотоприемник (ФП) подаютсяисследуемаяи опорная волны (рис. 10).

Рис. 10. Схема ВОДфазовой модуляции

Исследуемая волнараспространяется по рабочему волокну (ВС),опорная — поопорному (ОС). Если оптические пути этихсветовых волн отличаются на величину,меньшую длины когерентности используемогоизлучения, то фотоприемник зарегистрируетрезультат их интерференции. Первый этапкомплексного метода идентификации ФФпозволил выявить общие элементы ВОД ФМ,которые целесообразно моделировать дляиспользования в дальнейшем при синтезеТУст: опорное волокно с внутрицепнымипреобразованиями и рабочее волокно смежцепными преобразованиями. Доказано,что для обоих элементов (опорного ирабочего волокна) необходимо учитыватьраспределенные параметры. Отличие состоитв том, что распределенные параметрыопорного волокна постоянны, а рабочеговолокна —изменяются под воздействием измеряемойвеличины, что приводит к изменению фазыраспространяющегося в немизлучения.

На втором этаперазработаны энерго-информационные моделиэтих элементов. Для моделированияпроцессов опорного волокна оптическаяцепь была описана в терминах теории ЭИМЦ сточки зрения волнового распространенияэлектромагнитного излучения вдиэлектрических волноводах сцилиндрической симметрией. Для построениятакой модели на основеэлектродинамических решений былиопределены зависимости между величинами ипараметрами ЭИМЦ и реальными физическимивеличинами. Корректность полученныхсоотношений проверена по шести критериямтеории ЭИМЦ. Для описания процессоврабочего волокна была разработана ЭИМЦэффекта фотоупругости с учетомраспределенных параметров.

На третьем этапекомплексного метода идентифицированы образующиеэлементы ФФвнутрицепных (опорное волокно) и межцепных(рабочее волокно) преобразований в ВОД ФМдавления. Причем, длявнутрицепных преобразований использованывыведенные ранее для линиис распределенными параметрамифункциональные зависимостипреобразования входных универсальныхпараметровфункционального фрактала в выходныеF1 (стр. 15), а функциональные зависимостимежду реальными физическими величинами иих универсальными аналогами F2получены на основе прямых и производных критериевтеории ЭИМЦи электродинамическихрешений. Для межцепныхпреобразований с распределеннымипараметрами разработана оригинальнаямодель на основе эффекта фотоупругости.Графическая интерпретация образующегоэлемента ФФВОД ФМ на основе эффекта фотоупругостипредставлена на рис. 11. Зависимость междувеличинами и параметрамиэнерго-информационной модели и реальнымифизическими величинами определяется формулами (14-16):

Uмл=F,

(14)

,

(15)

,

(16)

(17)

гдеk – коэффициент,зависящий от свойств вещества; 0–диэлектрическая проницаемость среды;S – площадьпоперечного сечения световода; F – растягивающая сила, Roi– погонноекомплексное сопротивление i-гозвена, Goi – погоннаякомплексная проводимость i-го звена, — коэффициентпередачизвена преобразования механическоголинейного воздействия в оптическое.

Разработанная модельпозволила формализовать информацию поВОД ФМ давленияна основе эффекта фотоупругости, ввести еев базу данных для дальнейшегоиспользования при автоматизированномсинтезе новых технических решений.

Пятаяглава посвящена описанию практической реализации полученныхтеоретических положений дляэтапов поискового и эскизногопроектирования. Практическими результатами дляэтапа поискового проектирования являются информационно-логическая и физическаямодели данных, рекурсив­ный алгоритм расчета выходныхпараметров ФФ (см. гл. 2), программа расчетаэксплуатационных характеристик элементовдатчиковсложной структуры, алгоритм и система автоматизированногосинтеза новых технических решений, а также конструкции датчиков(интегральный микромеханическийтензорезисторный акселерометр-клинометр исовмещенный волоконно-оптический датчикдавления и температуры), ФПДкоторых синтезированыпри тестировании программного обеспечения (гл.6).

Программа расчетаэксплуатационных характеристик элементовпреобразователей сложной структурыпредназначена для автоматизации расчетавыходных параметров ФФ. Она используется как автономно при подготовкеинформации для ввода в базу данных, таки в качествемодуляавтоматизированной системы синтеза новыхтехнических решений длярасчета критериев качества синтезированных ТУст с целью ихколичественного сравнения.

Алгоритм синтеза ФПДдатчика с заданными входными и выходнымивеличинамиможет применяться дляпроектирования кактрадиционных, так и многофункциональныхдатчиков (рис. 12). Использование в качествеэлементов синтеза составных структурныхединиц (блоков) позволяет свести к минимумувозможныеварианты соединения компонентовсинтезируемой системы:последовательное соединение длятрадиционных датчиков; последовательное соединение,слияние и разветвление – длямногофункциональных. Если заданы однавходная и одна выходная величина(традиционный датчик), то синтез осуществляетсясогласно энергоинформационному методу. Отличиесостоит лишь в том, что компонентамисинтезируемой системы могут бытькак простые элементы, так и составные структурные элементы слюбого уровня декомпозиции хранящегося в базе данных ФФ.

Если количествовходных величин больше одной, то синтез ФПДначинается с поиска мультиэффектов. Приотсутствии мультиэффектов в соответствиис заданными ограничениями (мета-уровень),синтезируются отдельные цепи для каждойвходной величины. В этом случаерезультатом синтеза могут быть либоразличные преобразователи для каждойизмеряемой величины, либомногофункциональный преобразователь,непересекающиеся цепи ФПД в которомобъединены морфологическими признаками(общие материалы и/или элементыконструкции).

Если же мультиэффектынайдены, то для каждого из нихсинтезируются фрагменты цепей отмультиэффекта к входным (обратный синтез) ик выходным(прямой синтез) величинам. В результатеполучаем цепи, фрагменты которых соединенымультиэффектом. Когда все возможныеварианты получены, выполняется расчетэксплуатационных характеристик иоптимизация по их совокупности.

Использованиефрактального подхода позволяетзначительно повысить адекватность моделейФПД ЧЭД за счет учета нелинейностипреобразований посредством заменыэлементарных звеньев, приближенноописываемых линейной зависимостью,фрактальной структурой. Требуемая точность модели можетбыть достигнута соответствующейстепеньюдетализацииописания ФПД.

Практическимирезультатами для этапа эскизногопроектирования являются алгоритмитерационного построения ФФ по ЭИМЦпреобразователя (см. гл. 2), инженерныеметодики, алгоритмы и программноеобеспечение для расчета деформацииплоской мембраны.

Фрактальнаяинтерпретация ФПД преобразователейпозволяет использовать циклические (на основеитерационных процедур) ирекурсивные алгоритмы для расчета их выходныхпараметров. Кроме того, был разработан численный методрасчета элемента с распределенными параметрами ираспределенными величинамина основе использования матриц с элементами фрактальнойструктуры. Рекурсивныеалгоритмыявляются более предпочтительными для машиннойобработки, но не эффективны при отсутствиисредствавтоматизации. Циклические алгоритмы (на основеитерационных процедур) могут быть использованы как для машинной обработки данных,так и при отсутствиисредств автоматизации. Ноонидостаточносложны. Использованиематриц с элементамифрактальной структуры длярасчета может бытьреализовано на основе стандартногопрограммного обеспечения — табличногопроцессора(рис. 13).

Рис. 13. Иллюстрацияинженерной методики расчета деформацииплоской мембраны на основеиспользования матриц с элементамифрактальной структуры в MS Excel

Разработанныеметодики являются универсальными:позволяют учесть различные вариантынагрузки, а также анизотропностьполупроводниковых материалов. На основе разработанныхметодик созданы алгоритмы и системаавтоматизированного расчетамикроэлектронных датчиков давления. Сиспользованием этой системы выполненаоптимизация топологии расположениятензорезисторов на поверхности плоскоймембраны микроэлектронноготензорезисторного датчика давления смаксимальной чувствительностью измеренияи линейностью выходных характеристик.

Результатыдиссертации внедрены вНаучно-исследовательском институте физическихизмерений ивычислительной техники (г. Пенза), в ОАО КБЭ XXI века (г. Сарапул), вФГУП ПКТБ «Вихрь». Внедрение программного обеспечения позволяетавтоматизировать синтез ФПД датчиков новогопоколения, сократить времяпроектирования датчиков давления и ихэлементов в несколько раз ссоответствующим повышениемпроизводительности труда, повыситькачествонаучных изысканий и сократить время проведениянаучно-исследовательских работ.Разработки автора используются в учебномпроцессе в Астраханском государственномуниверситете (АГУ) приподготовке студентов по специальности «Инженерноедело в медико-биологической практике» покурсам «Узлы и элементымедицинской техники», «Проектированиемедицинского оборудования и медицинскойтехники», «Системный анализи принятиерешений», а также в Московском государственноминституте электроники и математики (МИЭМ) на кафедре «Радиоэлектронные ителекоммуникационные приборы и устройства»при проведении всех видов занятий подисциплинам «Управление качеством ЭС», «Надежность ЭС» со студентами,обучающимися по направлению подготовки«Проектирование и технология электронныхсредств», а также подисциплине «Теоретические основыобеспечения надежности ЭС» с магистрами, обучающимисяпо направлению подготовки «Радиоэлектронные средстваспециального назначения и технология ихпроизводства».

В шестой главе выполнена проверка адекватностиразработанных моделей.

С целью проверкиполученных теоретических положений иопределения эффективности разработанных алгоритмовдля этапа поисковогопроектирования былипроведеныдва эксперимента:

  1. синтез ФПД традиционных датчиков сиспользованием двух автоматизированных систем (известной Системы синтеза чувствительных элементов— наосновеэнерго-информационного метода, и новойАвтоматизированной системысинтеза новых технических решений —на основе фрактального подхода)
  2. синтез ФПД многофункциональныхдатчиков, который нельзя реализовать наоснове использования известнойсистемы синтеза ЧЭ.

Для проведенияпервого эксперимента было разработано 50тестовых заданий. В результате количествополученных решений при использованииновой системы, позволяющейсинтезировать системы сложнойструктуры, увеличилось, в среднем, на20%. Дляпроведения второго эксперимента былиразработаныдва заданияна синтез ФПД многофункциональных датчиков(таблица 2).

Таблица 2

Задания на синтез


задания

Вход

Выход

Условия
эксплуатации

Улучшаемые
эксплуатационные
характеристики

1

ускорение,угол наклона

электрический ток

чувствительность,
габариты, цена

2

давление,

температура

электрический ток

Температура среды — (200-300)°С

точность,

цена

При реализации первогозадания синтезирован интегральныймикромеханический тензорезисторныйакселерометр-клинометр (патент № 71167 от27.02.2008) с улучшенными по сравнению саналогом эксплуатационнымихарактеристиками (более высокойчувствительностью, меньшими габаритами иценой). Результатом синтеза является многофункциональный датчик снепересекающимися цепями ФПД по каждойизмеряемой величине и общимиконструктивными элементами для ихреализации.

При реализации второго задания синтезирован совмещенныйволоконно-оптический датчик давления итемпературы (патент № № 81323от 10.03.2009). При синтезеучтены условия эксплуатации (высокаятемпература контролируемого объекта).Повышение точности измерений давления посравнению с аналогом достигнуто за счет учетадополнительной погрешностиот температуры. Результатомсинтеза является многофункциональныйдатчик с пересекающимися цепями ФПД покаждой измеряемой величине(мультисенсор).

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»