Введение к работе
Актуальность темы: Измерительные системы являются неотъемлемой частью современной науки и техники. На сегодняшний день, в связи с комплексным усложнением существующих и разработкой качественно новых технологических процессов в промышленности, ужесточаются требования, предъявляемые к эксплуатационно-техническим характеристикам датчиков и информационно-измерительных систем (ИИС). Одним из наиболее перспективных и эффективных способов решения вопроса удовлетворения возрастающих требований является переход от классических электронных измерительных технологий к волоконно-оптическим датчикам и ИИС на их основе.
В настоящее время волоконно-оптическая измерительная техника является одной из наиболее динамично развивающихся областей оптоэлектроники. За несколько последних десятилетий произошел стремительный переход от простейших конструкций волоконно-оптических датчиков температуры и давления к созданию широкой номенклатуры измерительных систем, которые используются в различных областях науки и техники. Использование волоконных датчиков позволяет реализовать ряд преимуществ измерительных систем: пожаро-взрывобезопасность, высокая помехозащищенность и электромагнитная совместимость, химическая инертность, термостойкость, гальваническая развязка компонентов ИИС, дистанционность измерений, малый вес и объем, возможность мультиплексирования датчиков, длительный срок эксплуатации, потенциально низкая стоимость. Современные волоконно-оптические ИИС характеризуются тенденцией к усложнению конфигурации и созданию на их основе распределенных измерительных сетей, особенностью которых является возможность реконструирования пространственного распределения параметров исследуемого физического поля.
На сегодняшний день вопрос достижения потенциально возможных метрологических характеристик волоконно-оптических ИИС не является полностью решенным. Его решение требует, во-первых, разработку математических моделей, описывающих волоконно-оптические датчики и ИИС на их основе, которые должны учитывать влияние внешних факторов, во-вторых, разработку качественно новых алгоритмов функционирования ИИС и методов повышения метрологических характеристик, в-третьих, совершенствование компонентной базы, конструкций датчиков и алгоритмов обработки измерительной информации.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования РФ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, научно-исследовательские работы по лоту «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области оптики, лазерной физики и лазерных технологий» шифр «2010-1.1-122-012» по теме: «Исследование оптико-электронных методов пространственно-угловых измерений и создание на их основе широкого класса измерительных приборов повышенной точности» (шифр заявки «2010-1.1-122-012-016»).
Объектом исследования диссертации являются волоконно-оптические датчики и информационно-измерительные системы на их основе.
Предметом исследования диссертации являются математические модели, принципы построения, обработки информации и моделирования ИИС, позволяющие расширить диапазон измерения ИИС.
Цель работы: разработка методов расширения диапазона измерений информационно-измерительных систем на основе волоконно-оптических датчиков путем создания математических моделей волоконно-оптических датчиков и алгоритмов работы информационно-измерительных систем на их основе.
Задачи исследований: для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:
разработать математические модели, описывающие процессы функционирования волоконно-оптических датчиков и их характеристики, учитывающие влияние различных факторов;
разработать методы расширения диапазона измерения информационно-измерительных систем на основе волоконно-оптических датчиков;
провести анализ влияния параметров волоконно-оптических информационно-измерительных систем на погрешность измерений;
разработать алгоритмы моделирования волоконно-оптических информационно-измерительных систем.
На защиту выносятся:
-
Математические модели процессов в волоконно-оптических датчиках.
-
Методы расширения диапазона измерений волоконно-оптических ИИС на основе датчика Фабри-Перо.
3. Алгоритмы моделирования процессов ИИС на основе волоконно-
оптических датчиков.
Методы исследования: В работе использовались методы интегрального и дифференциального исчисления, теории дифракции, резонансной угловой фильтрации, упругости, численные методы, методы имитационного моделирования, методы физической и геометрической оптики.
Научная новизна: состоит в разработке методов расширения диапазона измерения и моделей волоконно-оптических ИИС, включающих в себя:
математические модели процессов в волоконно-оптических датчиках Фабри-Перо, отличающиеся малой погрешностью за счет учета комплекса конструктивных и эксплуатационных параметров;
метод расширения диапазона измерений волоконно-оптических ИИС на основе датчика Фабри-Перо, позволяющий расширить диапазон измерения физической величины в 100 раз, обладающий повышенной устойчивостью к воздействию внешних дестабилизирующих факторов;
алгоритмы компьютерного имитационного моделирования, позволяющие осуществлять проектирование волоконно-оптических ИИС.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
предложен принцип действия и алгоритм работы волоконно-оптических ИИС на основе датчика Фабри-Перо, позволивший расширить диапазон измерений.
разработаны рекомендации по проектированию информационно-измерительных систем на основе датчика Фабри-Перо, включающие рекомендации по выбору основных параметров датчика, характеристик ИИС и алгоритмов обработки измерительной информации.
разработан программный комплекс имитационного учебно-технического моделирования волоконно-оптических ИИС.
Публикация и апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: Магистерская научно-техническая конференция ТулГУ (г. Тула 2008, 2009, 2011 гг.); Всероссийская научно-техническая интернет конференция «Проблемы наземной радиолокации» (г. Тула 2009 г.); IX Международная конференция «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информацию) (г. Курск 2010 г.); XXXVII конференция «Гагаринские чтения» (г. Москва 2011 г.); XIII Международная конференция РНТОРЭС им. А.С. Попова «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (г. Москва 2011 г.).
Основное содержание работы отражено в 17 публикациях, включающих 7 статей, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 7 тезисов докладов на международных и российских НТК, 1 монографию, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, 1 положительное решение на заявку о регистрации изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, изложенных на 145 страницах основного текста, содержащих: 103 формулы, 71 рисунок, 8 таблиц.
