Введение к работе
Актуальность темы. Современные тенденции развития информационно-измерительных систем (ИИС) подвижных многофункциональных комплексов (самолеты, космические аппараты, ракеты и т.д.) требуют применения высокоточных, простых в изготовлении и стабильных в экстремальных условиях эксплуатации ИИС контроля параметров перемещения объектов. Такие ИИС представляют собой совокупность перемещающегося геометрического тела (оси антенн и сканирующих зеркал, чувствительные элементы датчиков аэродинамических углов и т.д.) и механически или оптически связанных с ним преобразователей перемещения. Получившие широкое распространение в ИИС оптоэлектронные преобразователи линейных и угловых перемещений (ОПП) отличаются высокой чувствительностью и быстродействием, малыми габаритами, возможностью эффективного применения различных методов стабилизации выходных параметров при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.
В основу теории оптоэлектронного преобразования механических величин, методологии проектирования оптоэлектронных информационных измерительных систем и устройств контроля параметров перемещения объектов (ОИИСП) положены результаты научных исследований отечественных и зарубежных ученых: Гитиса Э.И., Домрачева В.Г, Конюхова Н.Е.,Косннского А.В., Мироненко А.В., Новицкого П.В., Осадче-го Е.П., Преснухина Л.Н., ЗакаЕ.А., Свечникова СВ., Семенычева В.К., Шаповалова В.М., Шляндина В.М., Якушенкова Ю.Г., Bergholm F., Bhanu В., Huang Y.S., Shu C.Y., Tcheo P.C. и др. Первостепенное внимание конструированию ОИИСП и ОПП уделяют мировые лидеры измерительного приборостроения М.С.В., Siemens und Halske, Heidenhain, Opton, Philips, Olivetti, JIOMO, ЛИТМО и др. Вопросам коррекции погрешностей преобразования посвящены труды Куликовского К.Л, Ахмегжанова А.А., Бромберга Э.М., Земельмана М.А. и др. Проводимые научные и практические исследования в своей основе направлены на повышение точности и стабильности функционирования преобразования, снижение габаритно-весовых и стоимостных показателей ОИИСП. При этом исключительно важную роль играет моделирование процессов оптоэлектронного преобразования перемещений, связанное с анализом большого числа вариантов алгоритмов обработки аналоговых и цифровых информационных сигналов. Вычислительные эксперименты с моделями ОИИСП позволяют значительно сократить время и стоимость их проектирования, полнее исследовать зависимость показателей точности и стабильности от используе-
мых алгоритмов обработки информационных сигналов, параметров узлов и элементов преобразователей, принять более обоснованные проектные решения.
В настоящее время получили распространение различные методы моделирования ОИИСП, в своем большинстве основанные на статистическом подходе х оценке информативных параметров перемещающегося объекта и влияния внешних дестабилизирующих факторов на выходные параметры преобразователей перемещения. Созданы частные модели пространственно-информационных и энерго-информационных процессов в оптоэлектронных преобразователях. Вместе с тем проблема создания и применения методов моделирования оптоэлектронных систем измерения параметров перемещения остается актуальной. В известных моделях отсутствует комплексный учет функциональных связей параметров инструментальных погрешностей с эксплуатационными факторами. Имеет место незавершенность исследований в области применения традиционных и поиска новых путей повышения стабильности и точности ОИИСП в реальном масштабе времени. Не исследованы вопросы допускового контроля инструментальных погрешностей; не учитываются последние достижения в области волоконной оптики, микроэлектроники и вычислительной техники. Кроме того, в открытой печати за последние 20 лет не публикуется информация о теоретических разработках за рубежом в области проектирования оптоэлектронных преобразователей перемещений, предназначенных для работы в жестких условиях эксплуатации.
Все это обусловливает необходимость развития теории оптоэлек-тронного преобразования перемещений и разработки методов моделирования ОИИСП, основанных на комплексном учете воздействия дестабилизирующих факторов.
Таким образом, имеется объективная необходимость решения актуальной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и заключающейся в разработке теоретических методов и создании программно-аппаратных средств для решения вопросов повышения точности и стабильности ОИИСП, функционирующих в условиях комплексного воздействия эксплуатационных факторов естественного и искусственного происхождения.
Актуальность решаемой проблемы определяется:
необходимостью развития методов моделирования ОИИСП с комплексным учетом функциональных связей между внешними дестабилизирующими факторами и погрешностями преобразования;
расширением потребностей в реализации принципиально новых направлений повышения точности и стабильности ОИИСП, которые открываются благодаря достижениям в области микроэлектроники, оптики и цифровой техники;
- значительным ростом количества объектов подвижных многофункциональных комплексов, в которых требуются малогабаритные, высокоточные и стабильные ОИИСП.
Цель диссертационной работы - развитие теории, разработка методов моделирования и программно-аппаратных средств оптоэлектронного измерительного преобразования перемещений объектов в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов. Решаемые задачи:
-
Разработка метода определения параметров перемещения излучающего геометрического тела в ОИИСП с комплексным учетом влияющих факторов.
-
Разработка метода согласования пространственных и энергетических характеристик ОИИСП с учетом погрешностей, вызываемых внешними дестабилизирующими факторами.
-
Исследование математических моделей модулирующих сопряжений ОПП, направленное на выявление функциональных связей между погрешностями ОИИСП и точностью преобразования.
-
Исследование дифракции Френеля в приближении Кирхгофа на квазипрямоугольных отверстиях перемещающихся шкал с учетом погрешностей элементов модулирующего сопряжения.
-
Разработка алгоритмических моделей и структурных схем ОИИСП и ОПП с автокоррекцией и допусковым контролем инструментальных погрешностей, с защитой от внешних дестабилизирующих факторов.
Научная новизна диссертационной работы заключаются в том, что:
-
Разработан метод моделирования оптоэлектронного преобразования перемещения, основанный на определении функционала от параметров изображения перемещающегося геометрического тела.
-
Получены уравнения, описывающие по информационному признаку взаимосвязи пространственных и энергетических параметров ОИИСП.
-
Разработаны основанные на аппарате Д-функций математические модели процессов преобразования угловых и линейных перемещений модулирующими сопряжениями шкал и считывающих элементов с комплексным учетом воздействующих факторов.
-
Созданы метод и быстрый алгоритм анализа дифракции Френеля в приближении Кирхгофа на квазипрямоугольных отверстиях шкал с учетом погрешностей элементов модулирующего сопряжения.
-
Разработаны алгоритмические модели и структурные схемы ОИИСП и ОПП с автокоррекцией и встроенным допусковым контролем инструментальных погрешностей, основанные на структурно-алгоритмических
методах повышения точности измерения и на функциональной оптической фильтрации.
Практическая значимость результатов работы определяется их использованием в виде:
инженерной методики расчета и коррекции инструментальных погрешностей ОИИСП;
инженерной методики оценки эффективности устройств допуско-вого контроля инструментальных погрешностей;
- методики исследования дифракции Френеля в приближении
Кирхгофа на отверстиях перемещающихся шкал;
методики построения устройств адаптивной виброударной защиты оптоэлектронных датчиков перемещений;
инженерной методики расчета осветительной насадки для бесконтактного датчика угла поворота вала;
цифровых преобразователей ОТДПП-12 и ОЦПП-13 для измерения угловых перемещений с автокоррекцией радиальных биений вала;
рекомендаций по разработке оптоэлектронных информационно-измерительных систем контроля параметров перемещения объектов;
учебно-методических разработок при обучении по специальностям: «Эксплуатация и ремонт авиационного радиоэлектронного оборудования», «Эксплуатация и ремонт вооружения летательных аппаратов и авиационных ракет».
Главный итог работы заключается в обобщении научных положений, развитии теории оптоэлектронного преобразования перемещений, разработке методов моделирования оптоэлектронных информационных измерительных систем контроля параметров перемещения объектов, построении алгоритмических моделей и структурных схем оптоэлектронных преобразователей перемещений. Теоретические и практические результаты работы направлены на решение проблемы повышения точности и стабильности подвижных функциональных комплексов в условиях комплексного воздействия внешних дестабилизирующих факторов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель преобразования перемещения в ОИИСП.
-
Метод согласования пространственных и энергетических параметров ОИИСП.
-
Комплексные математические модели преобразования перемещения модулирующими сопряжениями шкал и считывающих элементов.
-
Метод исследования дифракции Френеля в приближении Кирхгофа на квазипрямоугольных отверстиях перемещающихся шкал.
5. Алгоритмические модели ОИИСП, структурные схемы преобразователей перемещений с автокоррекцией и допусковым контролем инструментальных погрешностей.
Реализация работы. Разработанные в диссертационной работе инженерные методики внедрены в НІШ ФИ (г. Пенза), МАПО «МиГ», 4 ЦНИИ МО РФ, в Самарском филиале физического института РАН, в ВИККА им. А.Ф. Можайского, в ОАО «Самарское конструкторское бюро машиностроения»; преобразователь ОПП-13 применен в установке для проверки кинематических элементов на ГПЗ-4 (г. Самара), преобразователь ОПП-12 используется в АООТ «Подшипники скольжения» (г. Тамбов) в системе диагностики готовых изделий; материалы диссертации используются в учебном процессе в Московском государственном авиационном институте, Самарском государственном техническом университете, Тамбовском ВВАИУ, в Самарском государственном аэрокосмическом университете.
Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на 6 международных, 14 всесоюзных и всероссийских, 4 региональных конгрессах, конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах в период с 1982 по 1997 годы.
Публикации. По результатам исследования издана монография, опубликованы 16 статей, 36 тезисов докладов, получено 8 авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, изложенных на 234 стр. машинописного текста, списка использованных источников из 224 наименований, приложений, содержит 96 рисуиков и 17 таблиц.