Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния, тенденций развития и методов концептуального проектирования современных преобразователей 19
1.1. Анализ состояния и тенденций развития современных преобразователей 19
1.2. Обзор методов поискового проектирования преобразователей 22
1.2.1. Комбинаторный метод поиска принципов действия 24
1.2.2. Метод конструирования Коллера 26
1.2.3. Компьютерные методы поискового проектирования '. 28
1.2.5. Обзор работ по применению систематизированных физических знаний 37
1.2.6. Моделирование и автоматизированное использование структурированных физических знаний 42
1.2.7. Анализ методов поискового проектирования ЧЭ 45
1.3. Обзор областей применения теории фракталов 46
Выводы по первой главе 50
Глава 2. Концепция моделирования физического принципа действия ЧЭД на основе фрактального подхода к описанию явлений и процессов 53
2.1 Основные понятия концепции 53
2.2. Система типовых элементарных соединений звеньев 55
2.3. Концептуальные модели функциональных фракталов преобразователей на основе принципов нежесткого и жесткого самоподобия 56
2.4. Комплексный метод идентификации функционального фрактала на основе ретроспективной и текущей информации по преобразователям различных
физических величин 61
2.5. Алгоритм итерационного построения функционального фрактала по ЭИМЦ преобразователя 63
2.6. Система критериев качества для сравнительной оценки разрабатываемых фрактальные моделей физического ФПД преобразователей 64
2.6.1. Метод расчета диапазона измерения функционального фрактала 65
2.6.2. Метод расчета нелинейности измерения функционального фрактала 72
2.7. Рекурсивный алгоритм расчета критериев качества функционального фрактала 73
2.8. Выбор класса преобразователей для реализации теоретических положений. 75
2.8.1. Микроэлектронные датчики 75
2.8.2. Волоконно-оптические датчики 78
Выводы,по второй главе 79
Глава 3. Моделирование упругих преобразователей механических величин на основе фрактального описания их ФПД 82
3.1. Реализация первого этапа комплексного метода идентификации функционального фрактала на основе ретроспективной и текущей информации по упругим чувствительным элементам микроэлектронных датчиков давления' 83
3.1.1. Анализ методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик 83
3.1.2. Классификация упругих элементов преобразователей в микроисполнении . 89
3.1.3. Общие сведения о мембранах 97
3.1.4. Обзор методов расчета плоской мембраны 98
3.2. Реализация второго этапа комплексного метода идентификации функционального фрактала — энерго-информационное моделирование деформации упругих элементов преобразователей 101
3.2.1. ПСС упругих элементов преобразователей 101
3.2.2. Параметрические структурные схемы плоских мембран 102
3.2.3. ПСС плоской мембраны как линия с распределенными параметрами 105
3.2.4. ПСС плоской мембраны как линии с распределенными параметрами, нагруженной сосредоточенным в центре усилием 107
3.2.5. ПСС плоской мембраны как линии с распределенными параметрами, нагруженной гидравлическим или пневматическим давлением 109
3.2.6. ПСС плоской мембраны как линии с распределенными параметрами, нагруженной гидравлическим или пневматическим давлением и сосредоточенным в центре усилием 112
3.2.7. Определение величин и параметров ПСС плоской мембраны из изотропного материала 113
3.2.8. Определение величин и параметров ПСС плоской мембраны из анизотропного материала 124
3.3. Реализация третьего этапа комплексного метода идентификации функционального фрактала — идентификация самоподобных структур ФПД
упругих элементов преобразователей и построения на их основе функциональных фракталов 130
3.3.1. Расчет выходных параметров лини с распределенными параметрами и величинами 130
3.3.2. Разработка универсального образующего элемента лини с распределенными параметрами и величинами 136
3.3.3. Численный метод расчета выходных параметров линии с распределенными параметрами и распределенными величинами на основе использования матриц с элементами фрактальной структуры 138
3.3.4. Вывод расчетных соотношений для определения погрешности лини с распределенными параметрами и величинами 148
3.3.5. Вывод расчетных соотношений для определения чувствительности лини с распределенными параметрами и величинами 151
Выводы по третьей главе 154
Глава 4. Моделирование волоконно-оптических датчиков давления на основе фрактального описания ФПД 156
4.1. Реализация первого этапа комплексного метода идентификации функционального фрактала на основе ретроспективной и текущей информации по волоконно-оптическим датчикам 156
4.1.1. Физический принцип действия волоконно-оптических преобразователей.. 159
4.1.2. Волоконно-оптические датчики фазовой модуляции 160
4.2. Реализация второго этапа комплексного метода идентификации функционального фрактала — энерго-информационное моделирование по волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции 162
4.2.1. Разработка энерго-информационной моделей внутрицепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции 162
4.2.2. Разработка энерго-информационной моделей межцепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции 165
4.3. Реализация третьего этапа комплексного метода идентификации функционального фрактала — идентификация самоподобных структур ФПД волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции давления и построения на
их основе функциональных фракталов 170
Выводы по четвертой главе 171
Глава 5. Практическая реализация теоретических исследований 172
5.1. Программа расчета эксплуатационных характеристик элементов преобразователей сложной структуры 173
5.2. Алгоритмы структурно-параметрического синтеза новых технических решений 1741
5.2.1. Синтез многофункциональных датчиков на основе построения топограмм 174
5.2.2. Блочно-иерархический синтез ФПД преобразователей 190
5.3. Оптимизация ФПД новых технических решений 192
5.4. Автоматизированная система синтеза новых технических решений 198
5.5. Инженерная методика расчета деформации плоской мембраны на основе итерационных процедур 200
5.6. Итерационный алгоритм расчета деформации плоской мембраны на ЭВМ 202
5.7. Инженерная методика расчета деформации плоской мембраны на основе численного метода расчета линии с распрделенными параметрами и распределенными величинами на основе использования матриц с элементами фрактальной структуры 208
5.8. Система автоматизированного расчета микроэлектронных датчиков давления 210
5.9. Оптимизация топологии тензорезисторов на поверхности полупроводниковой плоской мембраны 211
5.10. Внедрение результатов исследования 213
Выводы по пятой главе 214
Глава 6. Проверка адекватности разработанных моделей 217
6.1. Проверка адекватности моделей на этапе поискового проектиования. Синтез новых технических решений 218
Результат реализации задания на синтез №1 219
Результат реализации задания на синтез №2 220
Результат реализации задания на синтез №3 223
Результат реализации задания на синтез №4 236
6.2. Анализ погрешности расчета упругой линии с распределенными параметрами методом ПСС по сравнению с классическим методом 243
6.3.Анализ погрешности расчета упругой линии с распределенными параметрами и распределенными величинами на основе разработанной модели 253
6.3.1. Анализ погрешности расчета упругой линии с распределенными параметрами и распределенными величинами на основе разработанной модели для мембраны из материала с анизотропными свойствами 254
6.3.2 Анализ погрешности расчета упругой линии с распределенными параметрами и распределенными величинами на основе разработанной модели для мембраны из материала с анизотропными свойствами 258
Выводы по шестой главе 260
Заключение 264
Библиографический список использованной литературы 276
Список сокращений 320
- Моделирование и автоматизированное использование структурированных физических знаний
- Классификация упругих элементов преобразователей в микроисполнении
- Реализация первого этапа комплексного метода идентификации функционального фрактала на основе ретроспективной и текущей информации по волоконно-оптическим датчикам
- Анализ погрешности расчета упругой линии с распределенными параметрами методом ПСС по сравнению с классическим методом
Введение к работе
Актуальность проблемы. Необходимость поддержания высокой надежности и безаварийности сложных технических систем вынуждает разработчиков увеличивать число контролируемых параметров и, как следствие, применять множество разнообразных датчиков физических величин. Многообразие измеряемых параметров, конструктивных особенностей, принципов действия, используемых материалов; масштаб, комплексность и сложность задач проектирования современных измерительных устройств; непрерывный рост требований к учету все большего числа взаимосвязанных факторов, к сокращению времени на решение этих задач требуют системного подхода к анализу и синтезу датчиков и их элементов. С другой стороны, специфика математического языка описания различных явлений и процессов, на которых основан принцип действия датчиков, ограниченность доступа к информации по физическим эффектам и возможности ее полного использования в силу человеческого фактора существенно затрудняет разработку новых датчиков с требуемыми эксплуатационными характеристиками.
Качество проектных решений во многом определяется результатами начальных этапов проектирования (стадии технического задания и технического предложения), на которых принимаются основополагающие решения о структуре и принципе действия разрабатываемого устройства. Начальные этапы проектирования характеризуются переработкой значительных объемов информации, большим количеством прорабатываемых вариантов реализации. Решение этих задач во многом определяется тем, как будет обеспечен разработчик новыми информационными технологиями, усиливающими его интеллектуальные возможности, позволяющими автоматизировать процессы поиска и обработки информации на основе применения системного подхода к разработке датчиков и их элементов на основе обобщенного представления о классе объектов. Созданию этих технологий посвящены работы таких исследователей, как В.М.Цуриков, Э.М. Шмаков, Р.Коллер, С.Лу, А.И.Половинкин, В.А.Камаев, В.Н.Глазунов, А.М. Дворянкин, С.А. Фоменков и др.
Задачи разработки единых принципов и концепции автоматизированной системы поискового проектирования успешно решены на основе теории энерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ) в работах профессоров М.Ф.Зарипова и И.Ю.Петровой. Эта теория обеспечивает рассмотрение явлений различной физической природы с помощью уравнений, инвариантных к самой физической природе; графическое представление принципа действия чувствительных элементов систем управления (ЧЭ СУ); получение аналитических зависимостей одной величины от другой; возможность относительно простой автоматизации поиска новых технических решений. Однако выявлен ряд проблем применения теории ЭИМЦ, значительно сужающих область синтезируемых устройств. Причиной этих проблем является ряд вводимых ограничений вследствие недостаточно эффективной структуры синтезируемых систем, использующих элементы одного уровня декомпозиции. Усовершенствовать процесс поискового проектирования датчиков и их чувствительных элементов можно на основе теоретических положений моделирования их физического принципа действия (ФПД) с использованием фрактального подхода к описанию протекающих в них процессов, позволяющих алгоритмизировать процесс поиска новых технических решений. Создание более эффективного подхода к анализу и синтезу чувствительных элементов датчиков (ЧЭД) и разработка на его основе математического, алгоритмического и программного обеспечения для автоматизации начальных этапов проектирования является актуальной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.
Диссертационное исследование проводилось в соответствии с направлением научной школы Астраханского государственного университета (АГУ) «Энерго-информационный метод анализа и синтеза элементов информационно-измерительных и управляющих систем» и тематикой госбюджетных НИР Астраханского государственного технического университета (АГТУ) «Разработка методологических основ и инструментальных средств для создания интегрированных баз знаний», «Теоретический анализ и математическое моделирование информационных систем».
Объектом исследования является физический принцип действия (ФПД) ЧЭД.
Предмет исследования — методы, модели, алгоритмы и программы для анализа и синтеза ЧЭД.
Цель исследования — разработка новых методов и инструментальных средств для анализа и синтеза ФПД ЧЭД на основе фрактального подхода к описанию процессов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать концепцию моделирования ФПД ЧЭД на основе фрактального подхода к описанию явлений и процессов.
-
Разработать концептуальную модель ФПД ЧЭД, инвариантную к физической природе и степени детализации используемых процессов и явлений.
-
Определить совокупность критериев оценки качества синтезируемых ЧЭД и разработать расчетные соотношения для их вычисления.
-
Разработать метод фрактальной интерпретации ФПД датчиков и их элементов на основе анализа ретроспективной и текущей информации.
-
Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для анализа и синтеза ЧЭД, реализующих их моделирование на основе фрактального подхода к описанию процессов.
-
Реализовать разработанные теоретические положения для элементов выбранного класса датчиков.
-
Реализовать разработанные методы и алгоритмы в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента.
Методы исследования: для решения поставленных задач в работе использованы методы теории энерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ) и аппарата параметрических структурных схем (ПСС), математического моделирования, теории фракталов, функционального анализа, теории графов, теории систем и системного анализа, общей теории чувствительности и погрешностей, теории электрических цепей, теории упругости, поискового проектирования.
Достоверность и обоснованность диссертационных исследований определяются корректным применением методов исследований, адекватность моделей подтверждается сравнением полученных результатов с имеющимися точными решениями, успешным использованием результатов работы в различных организациях , что отображено в актах внедрения.
Научная новизна работы:
-
Создана концепция моделирования физического принципа действия ЧЭД на основе фрактального подхода к описанию явлений и процессов, которая позволила за счет эффективной топологии структуры модели ФПД ЧЭД исключить ряд ограничений, вводимых в теории ЭИМЦ, что обеспечило расширение области синтезируемых решений и повышение адекватности моделей.
-
Создана концептуальная модель ФПД ЧЭД для формализованного описания явлений и процессов различной физической природы, отличительной особенностью которой является инвариантность к степени их детализации, что позволило разработать эффективную структуру базы данных, алгоритмы для машинного синтеза новых технических решений и расчета их выходных параметров, а также модели конкретных датчиков.
-
Получены новые расчетные соотношения для определения критериев качества, отождествляемых с эксплуатационными характеристиками (точность, чувствительность, диапазон измерения, нелинейность), для элементарных типовых соединений звеньев, используемые в эффективном универсальном рекурсивном алгоритме расчета выходных параметров датчика.
-
Создан новый комплексный метод фрактальной интерпретации ФПД датчиков и их элементов на основе анализа ретроспективной и текущей информации, обеспечивающий моделирование ФПД ЧЭД на основе фрактального подхода.
-
На основе фрактальной интерпретации ФПД ЧЭД разработана универсальная модель плоской мембраны фрактальной структуры, учитывающая различные виды нагрузки и анизотропность свойств материала, предназначенная для расчета критериев качества, отождествляемых с эксплуатационными характеристиками, с целью использования этой информации для синтеза новых технических решений и предварительного подбора параметров плоской мембраны (материала и размеров) при ее проектировании.
-
Разработан численный метод расчета выходных параметров линии с распределенными параметрами и распределенными величинами на основе использования матриц с элементами фрактальной структуры, позволивший применять электронные таблицы.
Перечисленные результаты характеризуются системным подходом и образуют комплекс, определяющий создание основ теории чувствительных элементов датчиков различной физической природы с варьируемой степенью их детализации для систем управления.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные теоретические результаты явились основой для создания программного и информационного обеспечения оригинальной системы поискового проектирования новых технических решений, использование которой позволило разработать новые конструкции датчиков. При этом наибольшую практическую ценность представляют следующие результаты:
-
На основе полученных теоретических положений разработано информационное, алгоритмическое и программное обеспечение для анализа и синтеза ФПД ЧЭД, позволяющее существенно повысить качество проектирования за счет расширения области синтезируемых решений и повышения точности расчета критериев качества, отождествляемых с эксплуатационными характеристиками, предназначенных для количественного сравнения синтезируемых вариантов принципа действия.
-
Использование новой информационной технологии поискового проектирования позволило разработать конструкции технических устройств: интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр и совмещенный волоконно-оптический датчик давления и температуры (устройства запатентованы).
-
На основе созданной универсальной модели плоской мембраны разработана инженерная методика, алгоритмическое и программное обеспечение для ее расчета.
-
На примере плоской мембраны показано, что на основе использования предложенного подхода могут быть рассчитаны и проанализированы выходные параметры ЧЭД. Сравнение с классическими методами расчета показало хорошее совпадение результатов при значительном сокращении времени расчета.
Реализация результатов работы. Программные разработки автора внедрены в Научно-исследовательском институте физических исследований и вычислительной техники (г. Пенза), в ОАО КБЭ XXI века (г. Сарапул), в ФГУП ПКТБ «Вихрь» Внедрение программного обеспечения позволяет автоматизировать синтез ФПД датчиков нового поколения, сократить время проектирования датчиков давления и их элементов в несколько раз с соответствующим повышением производительности труда, повысить качество научных изысканий и сократить время проведения научно-исследовательских работ. Разработки автора используются в учебном процессе в Астраханском государственном университете (АГУ) и Московском государственном институте электроники и математики (МИЭМ) при преподавании дисциплин, связанных с изучением проектирования технических систем.
На защиту выносятся
-
Концепция моделирования ФПД ЧЭД на основе фрактального подхода к описанию явлений и процессов, позволившая исключить ряд ограничений, вводимых в теории ЭИМЦ, за счет эффективной топологии структуры ФПД ЧЭД, что обеспечивает расширение области синтезируемых решений и повышение адекватности их моделей.
-
Концептуальная модель ФПД ЧЭД для формализованного описания явлений и процессов различной физической природы, инвариантная к степени их детализации.
-
Новые расчетные соотношения для определения критериев качества, отождествляемых с эксплуатационными характеристиками, для элементарных типовых соединений звеньев, используемые в рекурсивном алгоритме их расчета.
-
Новый комплексный метод фрактальной интерпретации ФПД датчиков и их элементов на основе анализа ретроспективной и текущей информации, обеспечивающий моделирование ФПД ЧЭД на основе фрактального подхода
-
Универсальная модель плоской мембраны фрактальной структуры, учитывающая различные виды нагрузки и анизоотропность свойств материала, предназначенная для расчета критериев качества, отождествляемых с эксплуатационными характеристиками.
-
Новый численный метод расчета линии с распределенными величинами и распределенными параметрами на основе использования матриц с элементами фрактальной структуры, позволивший применять электронные таблицы.
-
Информационное, алгоритмическое и программное обеспечение для анализа и синтеза ФПД ЧЭД.
-
Синтезированные с использованием разработанного программного обеспечения датчики с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Апробация работы. Материалы, входящие в диссертацию, обсуждались на II Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре» (Астрахань, 1995), XL-XLII, XLVII-XLVIII научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава (Астрахань, 1996-1998, 2003, 2004), IX научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». Датчик-97 (Гурзуф, 1997), III Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре» (Астрахань, 1997), Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 1999), XVII, XVII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-17, 18» (Кострома, 2004, Астрахань, 2005), на международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2006), III Всероссийской научно-практической конференции (Анжеро-Суджинск), научно-технической конференции «Технологии информатизации профессиональной деятельности (в науке, образовании, промышленности)» с международным участием в рамках форума «Высокие технологии - 2004» (Ижевск, 23-26 ноября 2004), IV-XIII Всероссийской научно-практической конференции (Томск, 18-19 нояб. 2005 – 14-15 мая 2009), Международной научно-практической конференции «Электронный университет как условие устойчивого развития региона», X Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи» (Томск, 21-22 апреля 2006), конференции «Тенденции развития современных информационных технологий, модели экономических, правовых и управленческих систем» (Рязань, 22 марта 2006), международных симпозиумах «Надежность и качество 2006, 2007, 2008, 2009» (Пенза, 22-31 мая 2006, Пенза, 21-31 мая 2007, 26-31 мая 2008, 25 – 30 мая 2009), научно-практических конференциях «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий (Инфо-2006, 2007)» (Сочи, 1-10 октября 2006, Сочи, 1-10 октября 2007).
Публикации. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы изложены в трех монографиях, 25 статьях в центральных научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 54 статьях и трудах международных научных конференций. Имеется 5 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ, 2 патента на изобретения, 2 патента на полезную модель.
В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении проблемы, постановке задач, разработке теоретических положений и алгоритмов.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка из 401 наименования и приложений. Основная часть работы изложена на 320 страницах машинописного текста.
Моделирование и автоматизированное использование структурированных физических знаний
В работе [315] выполнен анализ работ по структурированному представлению физической информации в поисковом конструировании и изобретательской деятельности, который позволил выявить следующие недостатки:
- на верхнем (концептуальном) уровне различные определения понятия «физический эффект» совпадают, но выбранные способы формализации приводят к заметным расхождениям интерпретации содержания (интенсионала) данного понятия на более нижних уровнях детализации;
- выявлено противоречие между степенью формализации описаний ФЭ и универсальностью применения введенных моделей. С повышением степени формализации возрастает специализация моделей (в частности, происходит резкая потеря наглядности представления информации) и, соответственно, сужаются границы ее применения;
- рассмотренные подходы позволяют удовлетворить узкий класс информационных потребностей (ИП) только одной категории потребителей информации (инженеров). Кроме того, имеются и другие категории пользователей (ученые, учащиеся) со своими специфическими ИП. Существующие модели описания ФЭ и фонды ФЭна их основе плохо приспособлены (или совсем не приспособлены) для удовлетворения таких ИП. В рамках известных подходов не удалось спроектировать эффективную автоматизированную вопросно-ответную систему по физике, доступную для широкого круга неподготовленных пользователей;
- основой всех методов является массив ФЭ, сформированный на базе предложенных моделей описания ФЭ. Создание такого массива — самая трудоемкая процедура любого метода, требующая огромных затрат времени, сил и средств. При этом формирование массива ФЭ происходит на основе анализа одних и тех же источников информации, который авторами каждого метода проводится самостоятельно и независимо друг от друга. В силу этого актуальной является задача создания универсальных (комплексных) описаний ФЭ, позволяющих без излишнего дублирования первичных источников информации получать «специализированные» описания в соответствии с требованиями определенной модели;
- ни в одном из подходов не уделено специального внимания методикам формирования информационного обеспечения соответствующих автоматизированных систем на основе фондов ФЭ. Отсутствие таких методик не позволяет пользователям данных систем самостоятельно осуществлять пополнение массива ФЭ и, тем самым, адаптировать системы к решению конкретных практических задач.
В работе [316] дано определение физического эффекта (ФЭ) как объективной, закономерно обусловленной связи между двумя или более физическими явлениями, каждое из которых характеризуется соответствующей физической величиной.
Функциональная связь между физическими величинами может быть выражена аналитически, графически, таблично или вербально (описательно).
На основе базовой формы описания ФЭ сформирован фонд ФЭ в количестве 1255 описаний и созданы автоматизированная информационно-поисковая система по ФЭ (АИПС ФЭ) и автоматизированная система синтеза физических принципов действия технических объектов и технологий (САПФИТ). Опыт эксплуатации данных систем выявил ряд существенных недостатков базовой формы описания ФЭ, снижающих эффективность применения систем в инже-нерной, научной практике и в процессе обучения студентов.
Авторами предложена обобщенная модель описания ФЭ, в которой предлагается использовать при формализованном описании входа и выхода ФЭ функциональную связь физических величин входа и выхода ФЭ. Данная связь может быть выражена аналитически (точное количественное описание), графически (таблично) или качественно (текстовое описание на естественном языке).
Разработанная авторами обобщенная модель представления физических знаний в форме физических эффектов позволяет адаптировать описания ФЭ к удовлетворению различного типа информационных потребностей разных категорий пользователей и требованиям известных частных моделей ФЭ; а созданный.на ее основе программно-информационный комплекс использует структурированную физическую информацию для решения научных, технических задач и в учебном процессе.
Однако, имеющиеся базы данных физических эффектов и системы автоматизированного проектирования на их основе предназначены для синтеза технических устройств широкого назначения; физические эффекты имеют словесное описание как причинно-следственная связь, могут сопровождаться аналитической формулой связи выхода со входом. Результатом работы этих систем является синтез физического принципа действия технического устройства в виде цепочки последовательных преобразований, от входа к выходу. Однако такие системы позволяют синтезировать небольшое количество вариантов физического принципа действия технического устройства. Имеются трудности по составлению математических моделей описания синтезированных вариантов физического принципа действия и оценки их эксплуатационных характеристик, что не позволяет проводить количественное сравнение этих вариантов. Описаниє физических эффектов не сопровождается конструктивной проработкой технических реализаций.
Анализ известных методов поискового проектирования ЧЭ позволил выявить проблемы, препятствующие созданию эффективной системы: автоматизированного синтеза новых технических решений [369]:
- отсутствует единая обобщенная модель для более полного описания процессов получения и преобразования информации в ЧЭ использующих явления различной физической природы (известные работы А.А.Харкевича, ДіИ.Агейкина и др: не охватывают все физические процессы, характеризуют свойства материальной среды только параметром; сопротивления; не имеют стройной системы правил и уравнений для выявления величин и параметров в процессах различой; физической природы);
- имеющиеся базы данных физических эффектов исистемы; автоматизированного проектирования на их основе (А.И:Половинкин В.А.Камаев Р.Коллер, Глазунов BffiL, Фоменков С. А., Давыдов Д; А и др.) предназначены длясин-теза технических устройств широкого назначения, физические эффекты имеют словесное описание как причинно-следственная связь, могут сопровождаться аналитической формулой связи выхода со входом. Результатом работы этих систем является синтез физического принципа действия технического устройства в виде цепочки последовательных преобразований от входа к выходу. Однако такие системы позволяют синтезировать небольшое количество вариантов физического принципа действия) технического устройства. Имеются! трудности по составлению математических моделей описания синтезированных вариантов физического принципа действия ис оценки их эксплуатационных характеристик, что не позволяет проводить количественное сравнение этих вариантов: Описание физических эффектов не сопровождается конструктивной проработкой технических реализаций:
- Эти недостатки устранены в теории ЭИМЦ, в которой разработан единый системный подход в области теории ЧЭ, инвариантный к физической природе используемых явлений и процессов, а также методы и инструментальные средства структурного проектирования этих элементов с последующей автоматизацией этого процесса. Однако выявлен ряд проблем, возникающих при ее применении к описанию новых уникальных возможностей, предоставляемых использованием современных технологий и материалов, что значительно сужает область синтезируемых устройств. Причиной этих проблем является ряд ограничений, накладываемых вследствие недостаточно эффективной структуры синтезируемых систем, основанной на использовании элементов одного уровня декомпозиции.
Классификация упругих элементов преобразователей в микроисполнении
Во многих преобразователях механических величин упругие элементы являются весьма важным конструктивным элементом, используемым в качестве балансирующего элемента, элемента, запоминающего усилия, линеаризирующего элемента. Особенно важную роль выполняют пружины в измерительной технике при уменьшении размеров измерительных устройств. Поэтому немаловажное значение при поиске новых технических решений имеет их классификация [264, 274, 310].
Назначение пружин в микротехнике в принципе то же, что и в макротехнике, но выполнение пружин часто бывает иным.
Упругие элементы в микротехнике по используемым материалам и технологии изготовления можно разделить на две большие группы: пружины из проводниковых и полупроводниковых материалов.
В качестве исходного материала для изготовления.упругих элементов малых сечений первой группы используется высокопрочная проволока, полученная многократным волочением с большими суммарными обжатиями и дополнительно деформированная в ленту прокаткой, поэтому от материалов для упругих элементов прежде всего требуется достаточная пластичность, которая необходима для осуществления технологического процесса.
Для изготовления упругих элементов первой группы в большинстве случаев используют различные бронзы: магниевую, оловянно - цинковую, фосфористую, кремнистую, бериллиевую. Наряду с ними применяют сплавы на алюминиевой и платиновой основах, медно-никелевый, кобальт-никель-хромовый и молибдено-рениевый сплавы.
Упругие элементы первой группы, в основном, изготавливаются следующих типов: растяжка, подвеска, торсион, токоподвод; спиральная пружина; спиральный токоподвод; натяжная пружина; мембрана.
Растяжки, полвесы и торсионы выполняют в измерительных приборах ряд функций. Помимо крепления чувствительного элемента они создают также противодействующий момент и, как правило, используются в качестве токо-подводящих элементов к подвижной системе.
Спиральные пружины — важный конструктивный элемент электроизмерительных приборов, на кернах, индикаторов, а также весоизмерительных приборов, электромагнитных реле и др. Они предназначены дляJ создания противодействующего момента и подведения тока к различным частям измерительных механизмов. В» большинстве механических и электрических приборов в процессе измерения измеряемая величина преобразуется-в усилие, которое деформирует спиральную пружину и уравновешивается возникающими в ней упругими силами.
Амортизационная (натяжная) пружина в электроизмерительных приборах, подвижная часть которых закреплена на растяжках, служит опорой-растяжки, создает и поддерживает ее постоянное натяжение, сохраняя тем самым1 стабильность показаний во времени.
Плоская мембрана может быть представлена как круглая- пластинка, защемленная по контуру и нагруженная-давлением.
Упругие элементы второй группы имеют то же назначение, что ищервой группы, но отличаются конструктивным исполнением. Они не выполняются в качестве отдельного конструктивного элемента, а являются частью других конструктивных элементов. Это обычно бывает обусловлено миниатюрными размерами пружин,, сложностью крепления миниатюрных элементов, сложностью сборки конструкций из отдельных миниатюрных элементов. В связи с этим в микротехнике материалы, из которых выполняются пружины, нередко отличаются от материалов, из которых пружины выполняются в макротехнике, отличается и технология их изготовления.
При изготовлении микромеханических изделий применяются разнообразные, материалы: кремний; двуокись кремния (кварц), нитрид кремния,- арсе-нид галия алюминий, вольфрам, ниобат лития, никель, медь, серебро; нитрид алюминия, окись цинка и др. Среди этих материалов преимущественное значение имеет кремний и его соединения. Типичной техникой изготовления пружины в микротехнике является травление кремния. Иногда используется также аддитивная техника в. виде гальванического нанесения пружинных материалов, образование слоистых механических пружин в виде консолей, срощенных одним концом с пластиной.
Из полупроводниковых материалов изготавливают такие упругие элементы, как консольные пружины, мостики, мембраны, плоские и пространственные пружины.
Ко всем упругим элементам предъявляются требования, высокой прочности и стабильности комплекса физико-механических характеристик: прочности. упругости, температурных коэффициентов расширения, модуля упругости и т. д.
Материал должен обеспечивать стабильность свойств упругих элементов, в течении длительного времени, эксплуатации приборов в широком интервале температур от -60 до + 65С.
В-ряде приборов упругие элементы работают при различных динамических нагружениях и тогда необходимы значительно высокие прочность и стабильность физико - механических свойств этих элементов.
Как известно, не существует сплава, который одновременно удовлетворял бы всем перечисленным требованиям, поэтому для достижения в каждом отдельном случае требуемых технических характеристик при изготовления упругих элементов необходимо сочетать использование различных материалов, технологических и конструктивных приемов.
Своеобразие упругих элементов первой группы для приборостроения заключается в том, что для их изготовления используются проволока и лента малых сечений: свойства которых отличны, от свойств материалов в макросечении.
Прочностные свойства сплавов в микросечении значительно (в два раза и более) выше, чем в макросечении, что связано с величиной и распределением суммарной деформации и дефектов кристаллической решетки.. Сам характер деформации для- микросечений, когда величина зерна делается соизмеримой с геометрическими размерами образца, значительно отличается от деформации макрообразцов,и позволяет достигать необходимой прочности упругих элементов микронных сечений деформированием материалов с высокими и сверхвысокими степенями деформации (более 90%). При этом создаются условия для значительного повышения плотности дислокаций, а сопровождающие деформацию локальные разогревы способствуют равномерному распределению дислокаций по всему объему исследуемого образца.
Для повышения механических свойств упругих элементов первой группы перспективен путь дополнительных технологических обработок. При определенном сочетании режимов технологической обработки материала - выплавки, условий деформирования, термической обработки удается создать упругие элементы с таким сочетанием физико-механических свойств, которыми не обладает ни один из известных сплавов в исходном состоянии.
Большинство наиболее важных свойств сплавов определяется их структурой: даже незначительные изменения в структуре сплавов могут привести к существенному изменению их свойств. Наиболее глубокие изменения в структуре происходят при одновременном воздействии на сплав термической обработки и наклепа (деформации), в основе которых лежат фазовые превращения и пластическая деформация. Наибольший технический эффект дает термомеханическая обработка при изготовлении изделий малых сечений.
Использование такого конструктивного приема, как герметизация аппаратуры, в которой используются упругие элементы из сплава МР47, приводит к повышению надежности и чувствительности;
При работе упругого элемента в приборе в реальных условиях форму упругого элемента следует выбирать с учетом условий его эксплуатации. Прямоугольная форма сечения подвеса обеспечивает большую чувствительность, а круглая - надежность.
Реализация первого этапа комплексного метода идентификации функционального фрактала на основе ретроспективной и текущей информации по волоконно-оптическим датчикам
В соответствии с первым этапом комплексного метода идентификации функционального фрактала на основе ретроспективной и текущей информации выполнен анализ патентной и научно-технической литературы [275].
На.основании этого анализа выявлено, что 33.3% изобретений по волоконно-оптическим датчикам-предназначены, для - увеличение чувствительности, 29.2%.- направлены на уменьшения габаритных показателей, 20:8% для-увеличения точности, 16.7% —увеличение стабильности (рис.4.1). волокну, используется для получения информации об измеряемом физическом воздействии: амплитуда поля Е световой волны, фаза ф, состояние и направление поляризации.электрического вектора/? или частота со [1].
По указанному принципу выделяют (рис. 4.2): Амплитудные датчики, называемые также датчики с модуляцией интенсивности или просто — датчиками- интенсивности, в которых внешнее воздействие модулирует интенсивность / световой волны в выходном волокне датчика;
Фазовые датчики, в которых под воздействием внешнего фактора меняется фаза ф световой волны на выходе чувствительного элемента; Поляризационные датчики, в которых в качестве информационного параметра используется изменение поляризации р;
Частотные датчики - исследуемое физическое воздействие изменяет частоту СУ генерируемого, отраженного или пропускаемого света. [251]
На основании анализа патентной и научно-технической литературы [6, 28, 29, 30, 35, 37, 46, 54, 73, 74, 81, 89, 96, 98, 101, 111, 112, 134, 136, 144, 151, 251, 258, 283, 293, 307, 308, 329, 355], установлено, что поляризационные датчики по сравнению с амплитудными и фазовыми ВОД имеют более ограниченную область применения для регистрации физических величин. Это связано с наличием поляризаторов и анализаторов в поляризационных датчиках, которые отсутствуют в амплитудных и интерферометрических датчиках. Использование скрещенных поляризатора и анализатора, располагаемых последовательно по световому лучу, вызывает значительные потери в оптической системе и уменьшает регистрируемую фотоприемником мощность примерно на два порядка, что в свою очередь приводит к уменьшению динамического диапазона поляризационных датчиков. Амплитудные и фазовые ВОД позволяют измерять наибольшее количество физических величин. Однако амплитудные и поляризационные датчики, в отличие от фазовых, имеют ряд недостатков (зависимость выходного сигнала от мощности излучения, ограниченную область применения и др.). Дат 159
чики фазовой модуляции обладают такими достоинствами как высокая чувствительность, возможность использования в экстремальных условиях, отсутствие механической системы, широкая область применения и др. Они на данный момент рассматриваются как наиболее, перспективные измерительные устройства для целей метрологии, способные обеспечить наибольшую чувствительность при определении параметров разнообразных физических полей.[136]. Техника оптической интерферометрии позволяет фиксировать изменения фазы колебаний вплоть до 10"8 рад, хотя достижимы любые требуемые значения, по крайней мере, теоретически. Фазовые:датчики, обладают также и,широким динамическим диапазоном \ измерений. В фазовых датчиках используются одном од овые и мно-гомодовые оптические волокна. Датчики- на одномодовых волокнах обладают достаточно простой конструций.
Волоконно-оптический преобразователь состоит из источника излучения (ИИ), управляемого световода (УС) — оптического чувствительного элемента и фотоприемника (ФП) (рис.4.3).
Структурная схема волоконно-оптического датчика Управляемый световод представляет собой звено, в котором вследствие физического воздействия Fgx изменяются-параметры электромагнитной волны оптического диапазона частот. Оптическое излучение, подводимое к УС, распространяется в нем путем внутренних отражений от его граней. Регистрация оптического сигнала осуществляется с помощью ФП. При необходимости размещения в зоне измерения только УС связь его с ИИ и ФП может быть создана с помощью волоконных световодов ВС.
Благодаря наличию большого набора эффектов и явлений, входные величины FM различной физической природы позволяют осуществлять управление первичными параметрами Х{ к которым относятся зазор d между световодом и внешней средой, площадь оптического контакта S внешней среды со световодом, показатели преломления nj, п2) щ , пе и коэффициент поглощения %.
Так как изменение первичных параметров X, в общем случае не приводит к изменению параметров оптического излучения Z, (см. рис. 4.1), распространяющегося по УС, целесообразно выделять промежуточные параметры Yh которые непосредственно влияют на Z/. Первичный изменяемый параметр п посредством влияния на отражательную R, пропускательную Т способность границы раздела световод (пі) — внешняя среда (п2) (или постоянную распространения излучения Р в волноводном варианте) управляет выходными параметрами оптического излучения. Переменное значение разности щ — пе вызывает появление сдвига фаз (р между обыкновенным и необыкновенным лучами.
В-качестве выходных параметров оптического излучения,Z/.можно-выделить такие параметры, которые в дальнейшем можно зарегистрировать, с помощью ФП. К ним относятся амплитуда А, плоскость поляризации 5, угол распространения 0 и спектральная характеристика излучения Я.
Анализ погрешности расчета упругой линии с распределенными параметрами методом ПСС по сравнению с классическим методом
Для-проверки адекватности фрактальной модели идеальной упругой линии с распределенными параметрами разработаны два алгоритма:
циклический — на основе итерационных процедур,
рекурсивный — на основе рекуррентных отношений.
Известен классический метод расчета длинных линий. В работе [270] рассматривается возможность расчета распределенных параметров с использованием аппарата ПСС.
Для проведения сравнительного анализа метода ПСС с классическим методом расчета выбран случай, когда линия однородная линейная, т. е. величины погонной продольной жесткости wnp и погонной поперечной емкости сп линии постоянны, а механическое напряжение изменяется по синусоидальному закону U=Uo sin(cot) и подводится к концу упругого элемента.
Система линейных дифференциальных уравнений, описывающая распределение перемещений и механических напряжений для элементарного участка линии длиной dz, может быть записана в виде [130]: После решения системы дифференциальных уравнений и подстановки граничных условий (6.8) получаем выражение для определения выходного механического напряжения ивых=ивх——3 p = V w„p-c„. (6-9) В тех случаях, когда допустим приблизительный учет продольной жесткости и поперечной емкости, может быть использован метод параметрических структурных схем (ПСС), который предстоит сравнить с классическим по погрешности получаемых результатов [261, 384]. Параметрическая структурная схема цепи с распределенными параметра ми длиной V может быть представлена в виде п пар параметров Wi и С І (рис 6.1) Разработка циклического алгоритма для проверки адекватности модели Значения перемещений и механических напряжений для отдельных участков цепи с распределенными параметрами находятся соответственно из выражений: Эффективные значения первой пары параметров при наличии нагрузки в конце цепи в виде Сп определяются через их реальные значения по структурной схеме на рис. 6.1 по следующим формулам: Эффективные значения остальных параметров определяются аналогично. Увеличение числа звенев п в ПСС предположительно позволяет повысить точность получаемых результатов, но при этом существенно увеличивается трудоемкость подобных расчетов. Целью сравнительного анализа расчетов методом ПСС и классическим методом являлось определение оптимального числа звеньев п. Погрешность расчета по ПСС по сравнению с классическим методом расчета определяется по формуле: где С/івьіх и иъых значения выходных механических напряжений, определенных соответственно методом ПСС и классическим методом. С целью упрощения подобных расчетов выражение (6.12) было представлено в виде: ния определенных соответственно методом ПСС и классическим методом Из формул (6.10) и (6.14) получено выражение, позволяющее произвести обработку данных на ЭВМ Учитывая, что Сі = С2 = ... = С и Wj = W2 = ... = W из выражений (6.11) и (6.12) получаем ряд зависимостей: Количество отношений типа в формуле для определения произ ведения і-ой от конца цепи пары параметров С и W равно 2І-1, причем при уве личении і на 1, количество подобных отношений увеличивается на 2. Получен ная зависимость лежит в основе построения алгоритма расчета погрешностей на ЭВМ (рис.6.7). Фрагмент структуры циклического алгоритма определения коэффициента преобразования к Разработка рекурсивного алгоритма для проверки адекватности модели
Исходя из этого, были получены зависимости для эффективных параметров линии с распределенными параметрами с использованием рекурсивных функций. Идеальные значения эффективных параметров без учета погрешностей описываются формулами (6.20), (6.21)
— количество звеньев линии с распределенными параметрами;
— номер звена от конца цепи;
— эффективное сопротивление (n-i)-ro звена;
— эффективная проводимость (n-i)-ro звена.
Для получения рекурсивного алгоритма определения коэффициента преобразования линии с распределенными параметрами выражение (6.15) преобразуем следующим образом:
Структура алгоритма для определения чувствительности линии с распределенными параметрами представлена на рис. 6.8.
Полученные зависимости и алгоритм положены в основу программы для определения чувствительности сгенерированных цепей с распределенными параметрами при многокритериальной оптимизации найденных решений с использованием вычислительной техники.
Использование обоих алгоритмов дало одинаковые результаты [345, 346].
Структура рекурсивного алгоритма для расчета чувствительности линии с распределенными параметрами
Расчет на ЭВМ позволил определить предельное значение коэффициента Р, равное 5,99. При 0=6 UBblx=0.
На основании произведенного расчета был построен график зависимостей выходных величин от значений коэффициента р для расчета классическим методом и методом ПСС с различным количеством звеньев цепи (рис. 6.9). Затем были построены графики погрешностей результатов вычисления выходной величины по і методу ПСС по сравнению с классическим методом от коэффициента р при числе звенев п в ПСС, равном от 1 до 10 (рис. 6.10 а), рис. 6.10 б), рис. б.Юв).
