Введение к работе
Актуальность темы. Развитие измерительной техники и достижения в сфере информационных технологий позволяют значительно расширить возможности проведения экспериментальных научных исследований. Использование микропроцессорной и компьютерной техники позволяет качественно изменить проведение физического эксперимента: повысить точности измерений, их продолжительность, создать новые экспериментальные методы и расширить возможности применения существующих. В настоящее время фактически любая экспериментальная задача решается с применением средств автоматизации. Такие факторы, как трудоемкость измерительных операций, большие вычислительные затраты, быстро или, напротив, очень длительно протекающие процессы, необходимость параллельного проведения измерений, биологическая, химическая или другая опасность, связанная с проведением экспериментов, – обосновывают актуальность автоматизации научно-исследовательской деятельности.
Разрабатываемый в данной работе измерительный комплекс относится к классу информационно-измерительных комплексов для физических исследований. Основное назначение комплекса – исследование динамики физических свойств образцов в широком диапазоне изменения измеряемых параметров при переходе материала образцов из жидкого состояния в высоковязкое, гелеобразное и твердое в течение длительного времени. При этом измерение определенных для изучения свойств должно проводиться совместно (параллельно), что делает результаты, полученные различными методами, сопоставимыми между собой. В рамках данной работы для изучения определены три группы параметров. Это реологические параметры образцов – модуль сдвига и модуль механических потерь, релаксация механических напряжений; акустические параметры: скорость звука, коэффициент акустического затухания, дисперсионные характеристики; электрические свойства – объемное электрическое сопротивление по постоянному току. Предложенные способы и средства автоматизации измерений позволят решать как научные задачи, связанные с изучением кинетики процессов структурирования композиционных материалов, в частности, исследование процесса отверждения полимеризующихся образцов различного состава, так и различные прикладные инженерно-технические задачи по измерению и контролю физических параметров материалов.
Целью работы является разработка информационно-измерительного комплекса для исследования динамики физических характеристик образцов материалов в различных физических состояниях и при переходе из одного состояния в другое.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Изучение существующих методов и средств измерения и регистрации реологических и акустических параметров вязкоупругих материалов.
2. Разработка способа измерения, позволяющего проводить исследование реологических свойств образца при переходе из жидкого состояния в твердое и создание на его основе автоматизированной системы для измерения реологических характеристик материала образца.
3. Разработка и создание автоматизированных систем для непрерывных измерений акустических и электрических параметров образцов при переходе из жидкого состояния в твердое.
4. Обеспечение сопряжения информационно-измерительных устройств и приборов с ЭВМ. Разработка пользовательских и программных интерфейсов для доступа к функциям устройств, программного управления, дистанционного контроля состояния и информационного опроса приборов.
5. Разработка универсального для всех систем измерительного комплекса алгоритма, обеспечивающего совместный ход измерительных процессов при одновременном изучении нескольких групп свойств.
6. Разработка управляющего программного обеспечения измерительного комплекса и вспомогательных программ для автоматического выполнения измерительных операций, обработки и визуализации результатов.
7. Исследование метрологических характеристик разработанного измерительного комплекса.
Методы исследования
При выполнении диссертационной работы использовались методы автоматизации физического эксперимента, неразрушающего контроля, теория дифференциальных уравнений, теория и математический аппарат Фурье и вейвлет-преобразований, теория объектно-ориентированного программирования и построения многопоточных приложений, теория межпроцессных коммуникаций в операционных системах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена и реализована методика проведения одновременных измерений нескольких физических параметров, основанная на совместном выполнении измерительных процессов в едином измерительном комплексе.
2. Предложен алгоритм параллельного выполнения вычислительных потоков программного обеспечения, имеющих участки программного кода, критичного ко времени выполнения в многозадачных операционных системах с разделением времени.
3. Предложен способ, разработана и реализована методика автоматизированного измерения модуля сдвига и модуля механических потерь в образцах полимеризующихся материалов в различных физических состояниях в процессе отверждения.
4. Предложена методика и разработано устройство для автоматизированного изучения процессов релаксации механического напряжения и деформации образцов полимеризующихся материалов в процессе отверждения.
5. Предложена и программно реализована методика расчета, построения и анализа частотно-временных разверток акустических сигналов с использованием математического аппарата непрерывного вейвлет-преобразования.
Практическую значимость работы составляют:
1. Разработанный информационно-измерительный комплекс для исследования реологических, акустических и электрических свойств полимеризующихся составов.
2. Система акустического мониторинга состояния строительных конструкций, разработанная на основе аппаратно-программного обеспечения измерительного комплекса.
3. Разработанное программное обеспечение: системное – для автоматизации работы измерительных приборов и устройств, прикладное – для визуализации и обработки массивов получаемых данных.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Структурная схема информационно-измерительного комплекса для изучения реологических, акустических и электрических свойств образцов полимеризующихся составов.
2. Структура и алгоритмы работы программного обеспечения измерительного комплекса: измерительных модулей, модулей обработки и визуализации результатов.
3. Способ и методика измерения модуля сдвига и модуля механических потерь, параметров релаксации механического напряжения образцов полимеризующихся материалов в различных физических состояниях в процессе отверждения.
4. Системы измерения акустических параметров и электрического сопротивления образцов полимеризующихся составов.
5. Методика и программная реализация алгоритма построения и анализа частотно-временных разверток рядов отсчетов акустических сигналов с использованием математического аппарата непрерывного вейвлет-преобразования.
Внедрение результатов работы
Разработанный информационно-измерительный комплекс использовался в лаборатории физико-технических измерений ГОУВПО «ТОГУ» при выполнении НИР по теме №1.1.06 Ф «Исследование физических механизмов формирования структуры вещества при фазовом переходе жидкость – твердое тело», при выполнении работ по договору с Министерством экономического развития Хабаровского края №15-354 от 02.02.2007 «Разработка методов автоматизированного контроля реологических свойств вязких жидкостей».
Система измерения реологических параметров использована в производственной деятельности ООО «Алькан-ДВ» (г. Хабаровск) для исследования вязкостных свойств эпоксидофторопластов.
Программно-аппаратное обеспечение системы измерения акустических параметров внедрено в составе системы акустического мониторинга состояния строительных конструкций в КГУП «Хабаровскгражданпроект».
Личный вклад автора
Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в разработке способа и методики измерения реологических параметров вязкоупругих материалов, разработке аппаратно-программных средств автоматизации измерительных процессов, а также разработке и исследовании алгоритмов обработки результатов измерений.
Апробация работы
Основные научные и практические результаты работы обсуждались на:
1. XVI сессии Российского акустического общества (Москва, 2005 г.);
2. Международном российско-корейском симпозиуме «Signal Transition, Processing, Sensor and Monitoring Systems» (Хабаровск, 2006 г.);
3. Международном восьмом российско-китайском симпозиуме «Modern Materials and Technologies» (Хабаровск, 2006г.);
4. Седьмой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Владивосток, 2007 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 статья в издании из перечня, рекомендованного экспертным советом ВАК по профилю диссертации, 1 патент на изобретение и 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Работа изложена на 161 странице машинописного текста и содержит 51 рисунок, 11 таблиц, 114 наименований библиографических источников и 4 приложения.
