Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие и совершенствование робототехниче-ских и мехатронных систем и комплексов обычного и специального назначения приобретает в настоящее время большое значение. Это вызвано тем, что постоянно расширяется диапазон потенциальных применений современной робототехники и мехатроники для решения сложных прикладных задач в экстремальных условиях. В последние годы появилась необходимость развития новых подходов к построению систем управления робототехнических и мехатронных изделий, способных обеспечить надежное выполнение требуемых функций в неполнозаданной или априорно неизвестной среде при наличии помех, воздействии случайных возмущений, нечеткости поступающей информации и т.д.
Одним из направлений совершенствования систем управления робототехнических и мехатронных систем является создание новых датчиков внешних физических воздействий, обеспечивающих очувствление роботизированной техники. При этом особое внимание уделяется разработке датчиков давления, как основных элементов, позволяющих повысить и расширить объем поступающей в систему управления информации о механических внешних воздействиях, как на исполнительные органы, так и на всё изделие в целом. Восприятие полей давления воспроизводит чувство осязания, не менее важное для управления роботом, чем зрение, воспроизводимое различными локационными и телевизионными датчиками. Способность к восприятию импульсных полей давления еще более важна, так как их воздействие может приводить к катастрофическим для робота ситуациям. К таким ситуациям можно отнести удар мобильного робота при наезде на препятствие, разрушение корпуса робота при падении тяжёлых предметов, метеоритные потоки, воздействующие на космические роботы, воздействие пуль, осколков, взрывной волны на роботы военного и антитеррористического назначения и т.п.
Особенности условий функционирования датчиков систем управления робототехнических и мехатронных устройств в экстремальных условиях одновременно выдвигают противоречивые требования. С одной стороны, требования повышения чувствительности к входным механическим воздействиям, обеспечения многоканальности, быстродействия и высокой пространственной разрешающей способности. С другой стороны, требование повышения помехоустойчивости в условиях воздействия интенсивных естественных и искусственных электромагнитных помех. Первое требование является следствием расширения диапазона входных воздействий при одновременной необходимости тактильного очувствления значительных по площади элементов устройства, взаимодействующих с внешней средой. Второе требование обусловлено усложнением электромагнитной обстановки в зоне функционирования системы, а также тем, что выполнение первого требования в большинстве случаев достигается применением электронных схем усиления сигнала датчиков.
Радикальным путем решения данной проблемы в информационных цепях систем управления робототехнических и мехатронных изделий является переход от электрических к оптоэлектронным компонентам и устройствам, предназначенным для передачи, приема и обработки сигналов. В этом случае протяженные кабельные электрические линии связи могут быть заменены волоконно-оптическими, практически не подверженными воздействию электромагнитных помех.
Однако такое кардинальное решение проблемы повышения помехоустойчивости информационных цепей устройств, предназначенных для регистрации и измерения давления, потребовало изыскания возможностей построения датчиков, преобразующих различные входные механические воздействия в выходной оптический сигнал, пригодный для дальнейшей обработки. Наиболее целесообразным и перспективным решением этой задачи является применение датчиков давления с механолюминесцентными чувствительными элементами сосредоточенного и распределённого типа. Такие датчики работают по принципу прямого преобразования входного механического воздействия (давление, сила, ускорение) в выходной оптический сигнал видимого или инфракрасного спектра. К достоинствам таких датчиков также следует отнести простоту технической реализации чувствительных элементов с распределёнными характеристиками, позволяющую решить проблему обеспечения тактильной чувствительности элементов конструкций, имеющих значительную площадь поверхности.
Из анализа посвященных данной проблеме работ можно сделать вывод о том, что до настоящего времени авторы, в основном, стремились исследовать спектральные характеристики механолюминесцирующих соединений, а также расширить круг веществ, обладающих способностью к люминесценции под действием механических нагрузок. При этом наблюдается единство мнений по вопросу люминофора на основе сульфида цинка, легированного марганцем, обладающего самым ярким свечением при механическом нагружении. Такой односторонний подход к решению проблемы создания механолюминесцентных датчиков давления привел к ситуации, когда отмечается отсутствие научных основ расчёта и проектирования механолюминесцентных чувствительных элементов датчиков импульсного давления. Стремясь обнаружить механолюминесцентное излучение у различных типов соединений, авторы не уделили должного внимания изучению механизма механолюминесценции, разработке математической модели (функции преобразования), методики расчёта и проектирования механолюминесцентных чувствительных элементов, нахождению закономерностей формирования выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов.
В связи с перспективностью использования механолюминесцентных чувствительных элементов в датчиках импульсного (динамического) давления для систем управления мобильных и стационарных мехатронных и робототехнических устройств, представляется весьма важным проведение исследований закономерностей механолюминесцентного излучения цинксульфидных соединений на новом уровне. Результатом таких исследований должны быть математическая мо-
дель (функция преобразования) механолюминесцентного чувствительного элемента, а также методика расчёта выходных оптических сигналов в зависимости от параметров входных импульсов давления.
Большой вклад в разработку физических основ деформационной механолю-минесценции соединений класса А2В6 внесли Осипьян Ю.А., Шмурак С.З., Бредихин СИ., Сенчуков Ф.Д., Велиев З.А., Шикин В.Б. На возможность использования явления механолюминесценции для построения сенсорных устройств и необходимость детального исследования свойств механолюминесцентных чувствительных элементов указывали отечественные и зарубежные авторы Мяздриков О.А., Сулин Г.А., Zink J., Chandra В.Р., Sodomka L., Sage 1., и др.
Таким образом, актуальной и вполне обоснованной проблемой расчёта, проектирования и производства качественно новых датчиков импульсного давления, от решения которой зависит улучшение информативности и помехоустойчивости систем управления интеллектуальных робототехнических и мехатронных устройств, является изучение закономерностей механолюминесцентного преобразования и создание на этой основе методики расчёта и проектирования светогенера-ционных механолюминесцентных чувствительных элементов.
Целью работы является исследование основных закономерностей механолюминесцентного преобразования в цинксульфидных кристаллофосфорах и создание на этой основе новых высокоэффективных датчиков импульсного давления для систем управления мехатронных и робототехнических устройств, обеспечивающих высокие информативность, точность и быстродействие при высокой помехоустойчивости к электромагнитным помехам.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести теоретическое исследование физических основ явления механолюминесценции цинксульфидных кристаллофосфоров (в основном, ZnS:Mn, как самого чувствительного) с целью выявления механизма явления.
-
Разработать математическую модель (функцию преобразования) механолюминесцентного чувствительного элемента на основе явления механолюминесценции цинксульфидных кристаллофосфоров.
-
Разработать методику расчёта выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов.
-
Исследовать закономерности процессов формирования выходных оптических сигналов в механолюминесцентном чувствительном элементе при воздействии на него импульсов давления с различными параметрами.
-
Разработать экспериментальные образцы механолюминесцентных датчиков с сосредоточенным и распределённым чувствительным элементом, а также фотоприёмное устройство для регистрации выходных оптических сигналов.
-
Провести экспериментальные лабораторные исследования макетных образцов механолюминесцентных датчиков импульсного давления с целью определения основных параметров и характеристик, а также подтверждения теоретических положений и выводов.
-
Разработать испытательную установку, позволяющую в лабораторных условиях воспроизводить процессы воздействия импульсов давления на механолю-минесцентные чувствительные элементы, характерные реальным условиям и предназначенную для отработки датчиков импульсного давления изделий экстремальной робототехники и мехатроники.
-
Выявить возможности улучшения параметров и характеристик механолю-минесцентных чувствительных элементов, оценить их точностные параметры и эффективность.
-
Разработать принципы проектирования и конструкцию чувствительного элемента датчика импульсного давления на основе явления механолюминесцен-ции.
10. Провести оценку информационно-измерительных возможностей датчиков с механолюминесцентными чувствительными элементами, а также особенности и области их применения.
Методика исследований. Достижение поставленной цели обеспечено путём проведения теоретических и экспериментальных исследований. Основные выводы, положения и рекомендации обоснованы теоретическими расчётами, сравнением с известными результатами и экспериментальными данными. Физические и математические модели имеют наглядную физическую интерпретацию. В работе использованы фундаментальные положения физики твердого тела, физики дислокаций в полупроводниковых кристаллах, теории люминесценции, микроскопической теории упругопластического деформирования твердых тел с упрочнением, математической статистики, теории эксперимента.
Научная новизна работы заключается:
в проведении теоретического исследования процессов туннелирования электронов примесных центров свечения цинксульфидных кристаллофосфоров в электрическом поле движущихся дислокаций в объеме кристаллических структур с целью создания светогенерационных чувствительных элементов и структур;
в создании теоретических предпосылок для проектирования светогенерационных механолюминесцентных сосредоточенных и распределённых чувствительных элементов датчиков импульсного давления для систем управления роботизированной техники, работающей в экстремальных условиях;
в разработанной математической модели механолюминесцентного внутри-центрового излучения цинксульфидных порошковых люминофоров;
в предложенной методике расчёта выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов (ЧЭ);
в найденных закономерностях формирования выходного оптического сигнала механолюминесцентных ЧЭ в зависимости от параметров входных импульсов давления;
в предложенной классификации механолюминесцентных датчиков по виду чувствительного элемента, виду оптического канала связи и типу входного механического воздействия и другим признакам;
- в разработке способа обработки выходного оптического сигнала ЧЭ, по
зволяющего определять форму входного импульса давления в пределах динами
ческого диапазона чувствительности.
Практическая ценность работы определяется внедрением и использованием основных положений, выводов и рекомендаций, полученных при исследовании и разработке датчиков импульсного давления с механолюминесцентными чувствительными элементами. Практическую ценность работы представляют:
результаты расчетов выходных оптических сигналов в зависимости от различных параметров входных импульсов давления;
результаты экспериментального исследования, содержащие количественные оценки влияния входного давления на параметры выходных оптических сигналов при различных условиях работы;
созданные опытные образцы механолюминесцентных чувствительных элементов сосредоточенного и распределённого типа, защищенные 8 авторскими свидетельствами на изобретения и одним патентом;
разработанные методика расчета и основы проектирования механолюминесцентных чувствительных элементов;
предложенный способ обработки выходного сигнала механолюминесцент-ного ЧЭ, позволяющий определять форму и величину входного импульса давления.
Часть исследований выполнялась в рамках хоздоговорных НИР, финансируемых промышленными предприятиями РФ в 1990-2002 гг., а также госбюджетных НИР по межотраслевой научно-технической программе «Научно-инновационное сотрудничество» (раздел «Создание перспективных летательных аппаратов, импульсных установок, роботизированных комплексов, перспективных конструкционных, специальных и топливных материалов и технологий их получения») Министерства образования и Министерства обороны РФ (2000-2002 гг.) и научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники (подпрограмма «Электроника», раздел «Микро- и наносистемная техника») Министерства образования РФ (2002 г.), гранта № А-04-3.20-567 «Механолюминесцентные сенсорные элементы для визуализации полей давления» поддержки НИР аспирантов вузов Федерального агентства по образованию (2004 г.) и поисковой НИР «Сосредоточенные и распределенные (тактильные) датчики на основе явления механолюминесценции для приборов регистрации и измерения импульсных давлений» (Госконтракт №П2475) по направлению «Приборостроение, основанное на новых физических принципах» (конкурс НК-430П) в рамках мероприятия 1.2.2 федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы обусловливаются:
- применением хорошо апробированного математического аппарата;
достаточно высокой сходимостью результатов расчётов по разработанной математической модели с экспериментальными данными, полученными в работе;
согласованностью полученных результатов с опубликованными материалами других исследований.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель механолюминесцентного чувствительного элемента датчика импульсного давления на основе мелкодисперсных порошков сульфида цинка, активированного марганцем. В основу модели положено явление туннелирование электронов в электрическом поле движущихся дислокаций.
-
Методика расчета выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов в зависимости от параметров входных импульсов давления.
-
Выявленные закономерности изменения параметров выходного оптического сигнала от параметров входных импульсов давления и количества циклов на-гружения.
-
Результаты экспериментального определения энергетических, временных и пространственных характеристик выходных оптических сигналов.
-
Технические решения, защищенные 8 авторскими свидетельствами и патентом РФ, направленные на повышение информативности, надежности и помехоустойчивости систем управления автономных изделий экстремальной мехатро-ники и робототехники воздушного базирования.
-
Научные основы расчёта и проектирования механолюминесцентных чувствительных элементов датчиков импульсного давления.
Реализация результатов работы осуществлена:
ГУП НИИ «Поиск» (г. Санкт-Петербург) в опытные образцы информационно-измерительных систем с использованием светогенерационных механолюминесцентных датчиков и волоконно-оптических линий связи для автономных информационных и управляющих систем подвижных объектов специального назначения;
ФГУП ВПО «Точмаш» (г. Владимир) при разработке опытной партии датчиков ударного давления с волоконно-оптическим каналом связи и устройств регистрации полей давления на основе распределенных механолюминесцентных чувствительных элементов для робототехнических систем мобильных объектов;
ОАО «НИКТИД» (г. Владимир) при разработке датчиков определения детонации для двигателей внутреннего сгорания отечественных автомобилей;
ФГУП «ФНПЦ «Прибор» (г. Москва) в образцы распределённых датчиков ударных воздействий малогабаритных летательных аппаратов.
Основные положения и теоретические результаты диссертации использованы в учебном процессе на кафедре «Приборостроение и информационно-измерительные технологии» Владимирского государственного университета при проведении лекций, лабораторных занятий, курсовом и дипломном проектировании. Результаты диссертационной работы использовались также в учебной и научной работе в БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова (г. С.-Петербург).
Акты о внедрении приведены в приложении.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в машиностроении и приборостроении. К 150-летию МВТУ им. Н.Э.Баумана» (Москва, 1980 г.); на научно-техническом семинаре «Разработка и применение перспективных приборов для измерения угловых скоростей и ускорений» (Москва, 1991 г.); на научно-технической конференции «Проблемы конверсии, разработки и испытания приборных устройств» (Москва, 1993 г.); на Международной научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик -93)» (Гурзуф, 1993, 2003 гг.); на Международной научно-технической конференции «Конверсия, приборостроение, рынок» (Владимир, 1995 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Проектирование систем» ВАА им. Калинина (С.-Петербург, 1995 г.); научно-технической конференции «Современные информационные технологии в образовательном процессе и научных исследованиях» (Шуя, 2000 г.); на 3-ей Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы безопасности» (С.-Петербург, 2000 г.); 4-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития автономных информационных и управляющих систем на основе высокоэнергетических конденсированных материалов в XXI веке» (С.-Петербург, 2001 г.); 4-ой Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика» (Москва, 2002 г.); на 3-ей Международной научно-практической конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (Тирасполь, 2003 г.); на Общероссийских научно-технических конференциях «Первые Рдул-товские чтения» и «Вторые Рдултовские чтения» (С.-Петербург, 2003 и 2008 гг.); Первой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление» (Владимир, 2004 г.); на VI и VII Международных конференциях «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии м микросистемы» (Ульяновск, 2004 и 2005 гг.); на Международном оптическом конгрессе «ОПТИКА -XXI век» (Международная научно-технической конференция «Прикладная оптика» (С.-Петербург, 2004 г.); Всероссийской НТК «Исследование, проектирование, испытание и эксплуатация приборных устройств военной техники» (Владимир, 2008 г.).
Публикации. По тематике исследований опубликовано 50 научных работ, в том числе 1 учебное пособие, 10 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, авторские свидетельства на изобретения и 1 патент РФ.
Личное участие и вклад автора.
В диссертации приведены материалы, обобщающие теоретические исследования автора и опыт практического внедрения механолюминесцентных чувствительных элементов датчиков импульсного давления для систем управления изделий экстремальной мехатроники и робототехники. Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертации были получены автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре приборо-
строения и информационно-измерительных технологий ВлГУ в период с 1979 по 2009 гг.
Все основные виды работ выполнялись лично автором или осуществлялись под его руководством. Автором поставлены научные задачи, выбраны пути их решения и предложены методы и схемы теоретических и экспериментальных исследований. Все вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены либо самим автором, либо при его определяющей роли.
Работа потребовала участия помощников при проведении моделирования и экспериментальных исследований, а также при создании и внедрении опытных образцов, что нашло отражение в совместных публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Общий объем работы составляет 338 страниц и включает 290 страниц основного текста (в том числе 104 рисунка и 6 таблиц), список литературы из 357 наименований на 29 страницах и 19 страниц приложений.
