Введение к работе
В диссертации представлены исследования способов построения схем измерения и контроля малых линейных перемещений на удаленных объектах. Под термином «удаленные объекты» понимается технологическая ситуация, в которой собственно объект контроля и аппаратные средства обработки измерительной информации разнесены в пространстве и связаны по телекоммуникационным каналам. Схема измерения в такой ситуации включает в себя три функциональных компонента: первичный преобразователь, тракт передачи и блок обработки измерительной информации.
Суть исследований состоит в оценке достоверности получаемой информации по совокупности метрологических и функциональных характеристик компонентов системы в целом.
Исследования подчинены развитию методов интеллектуальных измерений и базируются на материалах опубликованных теоретических и прикладных исследований по перечисленным выше компонентам системы измерений.
В работе рассматривается собственная концепция автора, суть которой заключается в том, что для получения измерительной информации о приращении линейного отрезка используется градиент увеличения (линейного и продольного) оптической системы первичного преобразователя. Такое решение расширяет функциональные возможности оптоэлектронных бесконтактных методов линейных измерений, но требует адекватных решений способов обработки информации.
В работе анализируются функциональные свойства оптической схемы первичного преобразователя, его метрологические характеристики и методика тарировки, способы трансляции и обработки результатов измерений.
Обобщение результатов исследований сделано с ориентацией на машинные методы проектирования устройств конкретного назначения.
Актуальность темы
Объективными признаками актуальности предпринятых исследований являются:
современные тенденции интегрирования систем управления технологическими процессами и связанная с этим потребность в адекватных информационно-измерительных средствах;
приоритетное развитие оптоэлектронных методов измерений и контроля, обусловленное в первую очередь их функциональной полнотой, которая показана физическим механизмом взаимосвязи светового потока с окружающей средой, но технически реализована в малой части от возможного;
необходимость обеспечивать конкурентоспособность предприятия, главным признаком которой является его способность быстро осваивать
передовые технологии, что неизбежно связано с решением конкретных
задач их метрологического обеспечения; формирование идеологии и теории систем интеллектуальных измерений,
аналитическое описание и экспериментальная отработка компьютерных
технологий, включающих в себя телекоммуникационные тракты
передачи измерительной информации. Бесконтактные измерения в автоматизированных техпроцессах предпочтительны по очевидным признакам, а методы геометрической оптики позволяют получить простые, дешевые и легко воспроизводимые решения таких задач. Это показано в работах профессоров Грейма И.А., Русинова М.М., Сухопарова С.А., Грамматина А.П., Зверева В.И., Федотова А.И., Сарвина А.А. Эти работы в совокупности создают основу аналитического проектирования оптических схем бесконтактных измерений. В этих работах линейное увеличение является параметром, определяющим измерительные соотношения. Это традиционно в оптотехнике, однако, при измерении малых перемещений линейное увеличение (точнее, его изменение) можно сделать главным информативным признаком с сильной передаточной функцией. Исследование такого способа получения измерительной информации при положительном результате позволит расширить ряд решений схем бесконтактных измерений.
Таким образом, существующая потребность в средствах бесконтактных измерений и видимая возможность расширить ряд решений схемой с новыми функциями в совокупности являются объективным признаком актуальности темы диссертации. При этом исследуемая тема вписывается в объявленную программу развития техники и технологии по разделу «оптика».
Цель работы — разработка методики построения интегрированных систем измерений и контроля удаленных объектов на основе оптических методов бесконтактного измерения линейных перемещений и методов передачи информации по коммуникационным каналам. Задачи исследования
Аналитическое обобщение методов получения измерительной информации средствами силовой оптики, сопоставительный анализ измерительных соотношений.
Разработка дифференциального способа измерений по сопряженным отрезкам на основе градиента оптического увеличения системы.
Точностной анализ измерительных соотношений при дифференциальном способе измерений.
Анализ моделей задатчиков малых перемещений оптического изображения.
Разработка эмпирического способа формирования отсчетной системы первичного преобразователя.
Выбор способов передачи измерительной информации по телекоммуникационным каналам.
Экспериментальная проверка качества телеизмерений.
Этапы выполнения работы
Анализ схем бесконтактного измерения линейных отрезков по их оптическому изображению.
Анализ методов дистанционной передачи измерительной информации по телекоммуникационным каналам.
Построение модели градиентного способа измерения малых перемещений.
Разработка способа и схемы тарировки и поверки оптического градиентного преобразователя.
5. Экспериментальные исследования системы дистанционных измерений.
Научная новизна исследований состоит в разработке метода системного
анализа совокупности физических процедур получения, преобразования и трансляции измерительной информации от удаленных объектов. Научные результаты исследований состоят в следующем:
Градиентный способ получения измерительной информации средствами силовой оптики (схема измерений, измерительные соотношения, варианты реализации).
Анализ функциональных характеристик статического и градиентного способов бесконтактного измерения малых линейных перемещений.
Методика оценки функциональных и точностных характеристик оптоэлектронных преобразователей малых перемещений.
Критерии выбора способов дистанционной передачи измерительной информации.
Методика синтеза интегрированных систем дистанционного измерения.
Практическая значимость
Методика формирования (алгоритмы, протоколы, диагностика) телекоммуникационных трактов передачи измерительной информации может быть использована в различных схемах дистанционного контроля (например, виброакустическая диагностика механических агрегатов транспортных средств).
Разработанный способ градиентных измерений дополняет ряд альтернативных решений схем бесконтактного измерения малых линейных перемещений и позволяет создавать информационно-измерительные устройства с различными функциями на едином физическом принципе.
Предложенная методика тарировки и поверки исследуемой схемы измерения на основе зеркальных задатчиков перемещений может быть использована для аттестации других высокоточных измерителей длин взамен дорогостоящих интерференциональнных установок.
Результаты исследований влияния инструментальных факторов на метрологические и функциональные свойства измерительной системы являются основой для рационального выбора устройств конкретного назначения.
Методы исследований
Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования физических механизмов передачи измерительной информации силовой оптикой, оптоэлектронными преобразователями, системой телекоммуникации. Оценка адекватности моделей проверялась численными методами.
При анализе метрологических характеристик использован метод частных производных. Экспериментальные исследования проводились на макетах, полностью адекватных реальным условиям измерений, планирование экспериментов выполнялось по традиционной методике.
Основные положения, выносимые на защиту
Математическая модель (измерительные соотношения) градиентного способа бесконтактных измерений малых линейных перемещений.
Математические модели методических и инструментальных погрешностей оптической схемы измерения градиентным способом.
Методика построения отсчетной шкалы и вычисление результата измерений линейных перемещений.
Способы передачи измерительной информации по телекоммуникационным каналам.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на IX международной научно-практической конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Анализ и прогнозирование систем управления» и на ежегодных конференциях СЗТУ.
Публикации. Основные результаты исследований представлены в шести статьях, в том числе одна статья опубликована в журнале по списку ВАК РФ.
Личный вклад автора заключается в проведении следующих этапов:
Разработка математических моделей градиентного способа измерений и инструментальных факторов, влияющих на точность и достоверность результатов.
Разработка методики тарировки отсчетной системы первичного преобразователя.
Обоснование выбора способа дистанционной передачи измерительной информации по конкретным условиям ее функционирования.
Структура и объем диссертации
