Энерго-информационное моделирование волоконно-оптических датчико

На правах рукописи

ПЛЕШАКОВА ЛЮДМИЛА АЛЕКСАНДРОВНА

ЭНЕРГО-ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ФАЗОВОЙ

МОДУЛЯЦИИ

Специальность 05.13.05

Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Астрахань 2007 г.

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент О.М. Шикульская

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.А. Камаев

кандидат технических наук,

профессор Э.А. Артемьев

Ведущая организация: Пензенский государственный университет

Защита состоится «31» мая 2007 г. в 10 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д307.001.01 при Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414056, г.Астрахань, ул. Татищева, 16., ауд. Г.305.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 414025, г.Астрахань, ул. Татищева 16, АГТУ., Диссертационный совет Д307.001.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного технического университета

Автореферат разослан « 28 » апреля 2007 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

Д.т.н., проф.Попов Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время во всем мире интенсивно ведутся работы по созданию волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации. В таких системах используются волоконно-оптические датчики-преобразователи различных физических величин. Бурное развитие волоконно-оптических систем сбора информации связано как с особенностями различных отраслей науки и техники, так и с замечательными свойствами этих систем. Они искро- и пожаро- безопасны, устойчивы к электромагнитным помехам, малогабаритны, потребляют мало энергии. Они также позволяют создавать как локальные так и распределённые на большом пространстве чувствительные элементы и системы непрерывного контроля. Особенно перспективны волоконно-оптические датчики во взрывоопасных производствах, системах экологического мониторинга, предприятиях с вредными и пожароопасными производствами.

По данным маркетингового агентства Frost&Sullivan, ежегодные мировые продажи ВОД в последние годы составят около $2.5 млрд с ежегодным приростом 11% по всем отраслям промышленности. По оценкам Японской Ассоциации развития оптоэлектронной промышленности и технологии, к 2010 году объемы продаж ВОД возрастут до $5 млрд.

Исследованием ВОД занимались многие отечественные (В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов, М.М. Бутусов, С.Л.Галкин, С.П. Орбинский) и зарубежные (Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, Х. Исихара, К. Кома, К. Хаттэ, Дж. Стерлинг) ученые. Результаты их работ используются для конструирования и расчета этих преобразователей. Однако на ранних стадиях проектирования чувствительных элементов перед конструктором возникает ряд важных и трудоемких задач: поиск нового физического принципа действия (ФПД), разработка конструктивного решения, сравнение нескольких решений и выбор лучшего по некоторым критериям. Качество проектных решений во многом определяется результатами начальных этапов проектирования, на которых принимаются основополагающие решения о структуре и принципе действия проектируемого объекта. Начальные этапы проектирования характеризуются значительными объемами информации, используемой разработчиками, большим количеством прорабатываемых вариантов реализации. Решение этих задач при отсутствии средств автоматизации процесса проектирования становится чрезвычайно сложным. Поэтому для сокращения временных и материальных затрат и снижения трудоемкости процесса поискового конструирования преобразователей и их элементов актуальной становится задача автоматизации синтеза ФПД новых технических решений, что требует универсальных методов их описания. Решением этой задачи занимались такие ученые как Г.С. Альтшуллер, Р. Колер, В.Н. Глазунов, А.И., М.Ф. Зарипов, И.Ю. Петрова, А.И. Половинкин, А.М. Дворянкин, В.А. Камаев, С.А. Фоменков и др.

Одним из эффективных методов решения этой проблемы является созданная М.Ф. Зариповым теория энерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ), позволяющая описывать преобразования любой физической природы с помощью уравнений, инвариантных к самой природе.

Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что волоконно-оптические датчики фазовой модуляции (ВОД ФМ) на данный момент рассматриваются как наиболее перспективные для целей метрологии измерительные устройства, способные обеспечить наибольшую чувствительность при определении параметров разнообразных физических полей.

На основании теории ЭИМЦ проведены научные исследования поляризационных явлений в ВОД. Однако специфика волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции не позволяет применить полученные результаты для синтеза данного класса преобразователей. В связи с этим научные исследования, направленные на моделирование и синтез волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции, являются актуальными.

Объектом исследования являются волоконно-оптические датчики фазовой модуляции.

Предмет исследования – модели и алгоритмы синтеза физического принципа действия волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка моделей, алгоритмического и программного обеспечения для автоматизации синтеза физического принципа действия волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе осуществляется решение следующих задач:

Разработка энерго-информационных моделей оптических внутрицепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции.

Разработка энерго-информационных моделей оптических межцепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции.

Разработка паспортов физико-технических эффектов волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции.

Разработка алгоритмов синтеза физического принципа действия новых технических решений с учетом конструктивных особенностей волоконно-оптических датчиков.

Создание автоматизированной системы синтеза новых технических решений на основе разработанных алгоритмов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели применялись: метод энерго-информационного моделирования, методы проектирования и программирования, теория волновых оптических процессов, теория аналогии и подобия, методы многокритериальной оптимизации, методы математической статистики.

Достоверность и обоснованность работы. Обоснованность результатов обусловлена корректным применением указанных методов исследования, а также практическим применением результатов диссертационной работы, что отображено в актах внедрения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Энерго-информационные модели оптических внутрицепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции.

2. Энерго-информационные модели оптических межцепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции.

3. Паспорта физико-технических эффектов волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции.

4. Алгоритмы синтеза новых технических решений с учетом конструктивных особенностей волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции.

5. Автоматизированная система синтеза новых технических решений.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработаны энерго-информационные модели оптических внутрицепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции с учетом распределения параметров на основе рекуррентных соотношений.

2. Разработаны энерго-информационные модели оптических межцепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции с учетом зависимости их распределенных параметров от измеряемых внешних воздействий.

3. Разработаны новые паспорта 7 оптических физико-технических эффектов, используемых в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции, содержащие их формализованное описание на базе специфической области знаний и теории энерго-информационых моделей цепей.

4. Созданы алгоритмы синтеза новых технических решений, в которых для учета особенностей волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции элементы синтеза разделены на активные и пассивные, сложные элементы декомпозированы, параметр оптического воздействия фаза используется как самостоятельный объект синтеза.

Практическая ценность работы:

1. С использованием разработанных энерго-информационных моделей ФТЭ и созданных на их основе паспортов, пополнена база данных, что позволяет увеличить количество синтезированных решений на 20%.

2. На основе разработанных алгоритмов создана автоматизированная система, позволяющая синтезировать волоконно-оптические датчики фазовой модуляции.

3. Результаты работы внедрены в институте АстраханьНИПИгаз, что позволило повысить производительность поискового конструирования на 15%.

4. Предложенные модели и автоматизированная система синтеза новых технических решений используется в учебном процессе в Астраханском государственном техническом университете для преподавания дисциплин «Автоматизация проектирования систем и средств управления», «Технические средства автоматизации и управления», «Моделирование систем» на специальности «Управление и информатика в технических системах».

Личный вклад автора.

В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит проведение патентных исследований, разработка энерго-информационных моделей внутрицепных и межцепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции, разработка паспортов физико-технических эффектов, создание алгоритмов, проектирование и реализация программного обеспечения.

Апробация научных результатов. Основные положения докладывались и обсуждались на XVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-18» (Казань, 2005 г.), «Международной конференции, посвященной 75-летию со дня образования Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2005 г.), Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине (Волгоград, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Электронный университет как условие устойчивого развития региона» (МЭСИ, Астрахань 2005 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование ИТММ-2005», (Томск 2005 г.), III межвузовской научно-практической конференции «Тенденции развития современных информационных технологий, моделей экономических, правовых и управленческих систем» (Рязань 2006 г.), Научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-19 (Воронеж 2006 г.), X Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи» (Томск 2006 г.), Международном симпозиуме «Надежность и качество 2006» (Пенза 2006 г.), Научно-практической конференции «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» Инфо-2006 (Сочи 2006 г.), Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ–2007» (Астрахань 2007 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 15 опубликованных научных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения. Общий объем работы 130 страниц машинописного текста.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования.

В первой главе приведены результаты патентных исследований глубиной в 6 лет, представлена классификация волоконно-оптических датчиков, анализ оптически активных материалов. На основе анализа структуры ВОД ФМ детализированы задачи энерго-информационного моделирования их физического принципа действия.

По принципу действия все ВОД делятся на амплитудные, фазовые, поляризационные и частотные. Исследования патентной и научно-технической литературы показали, что амплитудные и поляризационные датчики, в отличие от фазовых, имеют ряд недостатков (зависимость выходного сигнала от мощности излучения, ограниченную область применения и др.). Датчики фазовой модуляции обладают такими достоинствами, как высокая чувствительность, возможность их использования в экстремальных условиях, отсутствие механической системы, широкая область применения и др.

С целью конкретизации задач моделирования физического принципа действия проанализирована структура ВОД ФМ (рис.1). В состав волоконно-оптического датчика ФМ входят источник излучения (ИИ), управляемый световод (УС) – оптический чувствительный элемента и фотоприемник (ФП) (рис.1). Управляемый световод представляет собой звено, в котором вследствие физического воздействия Fвх 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, его связь с ИИ и ФП может быть создана с помощью волоконных световодов ВС. Принцип действия ВОД ФМ основан на регистрации изменения фазы распространяющегося в волоконном световоде оптического излучения интерферометрическим способом. Изменение фазы в каналирумых световых волнах возникает при внешнем воздействии на УС. Поскольку существующие фотоприемные устройства реагируют только на интенсивность световой волны, то изменение фазы оптического излучения не может быть определено прямым измерением. Поэтому для измерения изменения фазы излучения, произошедшего в результате внешнего воздействия на световод, используют интерферометрические методы. Суть этих методов состоит в том, что одновременно на фотоприемник подаются исследуемая и опорная волны (опорная волна распространяется по опорному световоду (ОС)). Если оптические пути этих световых волн отличаются на величину, меньшую длины когерентности используемого излучения, то фотоприемник зарегистрирует результат их интерференции. Модуляция фазы распространяющегося в волоконных световодах излучения в результате внешних воздействий приведет к изменению интенсивности интерференционной картины.

Рис. 1. Структурная схема волоконно-оптического датчика

Анализ конструкций волоконно-оптических датчиков ФМ показал, что их физический принцип действия основан на оптических внутрицепных и межцепных преобразованиях, что позволило декомпозировать задачу моделирования на две подзадачи:

Разработка энерго-информационной модели оптической цепи.

Разработка межцепных физико-технических эффектов.

В волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции (см. рис.1) используются два волновода: опорное волокно и рабочее волокно. Отличие этих двух элементов состоит в том, что распределенные параметры опорного волокна постоянны, а рабочего волокна изменяются под воздействием измеряемой величины, что приводит к изменению фазы распространяющегося в нем излучения.

Во второй главе приводится описание разработанных энерго-информационных моделей оптических внутрицепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции, описание составленных паспортов ФТЭ.

Для решения первой подзадачи оптическая цепь рассмотрена с точки зрения волнового распространения электромагнитного излучения в диэлектрических волноводах с цилиндрической симметрией. Из системы уравнений Максвелла с помощью математических преобразований получены выражения (табл.1). В первой колонке табл.1 представлены дифференциальные уравнения электрической линии с распределенными параметрами. На основе аналогий между электрическими и оптическими цепями построена схема замещения (рис.2) и получены выражения (1-8).

Рис.2. Схема замещении оптической цепи

Таблица 1

Математическое описание электрической и оптической линий

с распределенными параметрами

Дифференциальные уравнения электрической линии с распределенными

параметрами

Дифференциальные уравнения распространения оптического излучения в диэлектрическом волноводе

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Величины: оптическое воздействие, реакция, заряд и импульс определяются выражениями (1-4):

EMBED Equation.3 ,(1)

EMBED Equation.3 ,(2)

EMBED Equation.3 ,(3)

EMBED Equation.3 .(4)

Параметры: сопротивление, емкость, проводимость, индуктивность оптической цепи определяются формулами (5-7):

EMBED Equation.3 ,(5)

EMBED Equation.3 ,(6)

EMBED Equation.3 ,(7)

EMBED Equation.3 ,(8)

где EMBED Equation.3 – абсолютная диэлектрическая проницаемость; EMBED Equation.3 – абсолютная магнитная проницаемость. Результаты моделирования оптической цепи сведены в табл.1.

Таблица 1

Таблица величин-аналогов и параметров-аналогов оптической цепи

Список обозначений в формулах (1-7) и табл.1: EMBED Equation.3 – напряженность электрического поля; EMBED Equation.3 – напряженность магнитного поля; EMBED Equation.3 – электрическая индукция; EMBED Equation.3 – магнитная индукция; μ0 – магнитная проницаемость среды; μ – относительная магнитная постоянная; ε0 – диэлектрическая проницаемость среды; ε – относительная диэлектрическая постоянная; Zвв– волновое сопротивление.

Достоверность результатов моделирования обеспечивается выполнением критериев теории ЭИМЦ.

Параметрическая структурная схема (ПСС) опорного волокна с учетом распределения параметров представлена на рис.3. Используемые эффективные параметры EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 учитывают обратные связи.

Рис. 3. ПСС линии с распределенными параметрами

Зависимость выходной величины от входной определяется выражением:

EMBED Equation.3 . (9)

Для обеспечения автоматизации расчета выходных величин оптической цепи с учетом распределения параметров выведены аналитические выражения с использованием рекуррентных соотношений:

EMBED Equation.3 ,,,(10)

где n – количество звеньев, m – номер произвольного звена от начала цепи, i=n-m – номер произвольного звена от конца цепи.

Эффективные значения i-й пары параметров:

EMBED Equation.3 ,(11)

EMBED Equation.3 .(12)

Произведение i-го от конца цепи элементарного звена определяется по формуле:

EMBED Equation.3 (13)

EMBED Equation.3 где EMBED Equation.3 (14)

Связь между параметрами и величинами энергоинформационной модели оптической цепи с реальными физическими величинами описывается формулами (1-8).

Для определения погрешности применяемого метода расчета выходных параметров оптической линии с распределенными параметрами проведен вычислительный эксперимент. Погрешность метода расчета (3%),что позволяет использовать его на ранних стадиях проектирования.

В третьей главе приводится описание разработанных энерго-информационных моделей оптических межцепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции.

Для описания оптических межцепных преобразований в рабочем волокне разработаны модели ФТЭ. Измеряемая величина (E, H, I, t, F, p и др.) с помощью какого-либо физического эффекта (электро- или магнитооптического, пьезооптичекого и др.) приводит к изменению оптических параметров xi среды, по которой распространяется излучение (показателя преломления n, коэффициента поглощения света χ, линейных размеров l). Рассмотрены 7 физико-технических эффектов:



1. Эффект фотоупругости – заключается в изменении дисперсионных свойств волокна под воздействием аксиальных механических напряжений (растяжений световода), приводящих к изменению показателя преломления материала световода n, вызывающего изменение фазы ϕ распространяющегося по волноводу излучения.

2. Электрооптический эффект Керра – состоит в изменении показателя преломления среды n под действием электрического поля Е, что вызывает изменение фазы ϕ излучения.

3. Электрооптический эффект Поккельса. Если подавать на оксидный монокристалл, например, LiNbO3 (LNO), LiTaO3 (LTO), BGO, BSO и др. электрическое напряжение, то коэффициент преломления n в нем изменяется пропорционально напряженности электрического поля. Чувствительность датчика электрического поля тем выше, чем больше электрооптический коэффициент материала Поккельса.

4. Эффект Саньяка. По круговому оптическому пути (рис. 4), благодаря расщеплению луча, свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерционного пространства, оба луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей в расщепителе по завершении пути фазовый сдвиг отсутствует. Однако, когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью Ω, между световыми волнами возникает разность фаз. Рис. 4. Эффект Саньяка

5. Магнитооптический эффект – явление возникновения оптической анизотропии у изотропного вещества под влиянием сильного магнитного поля Hвн. Под действие магнитного поля вещество становится оптически анизотропным, что вызывает изменение показателя преломления вещества n.

6. Эффект излучения. В результате «падения» свободных электронов на нижний энергетический уровень или в зону валентных электронов при сталкновении с узлами кристаллической решетки, или с другими электронами происходит выделение энергии. Теряемая электроном энергия выделяется в виде фотона.

7. Эффект фотодетектирования – это явление, при котором электроны, находящиеся в валентной зоне полупроводника или в зоне примесного уровня, при поглощении света возбуждаются и переходят в зону проводимости.

Описанные ФТЭ, используемые при синтезе новых технических решений, сведены в табл.3.

Таблица 3

Энерго-информационные модели в ВОД ФМ

№ п/п

ПСС

Уравнение ФТЭ

Эффект фотоупругости

EMBED PBrush

EMBED Equation.3

где EMBED Equation.3

Электрооптический эффект Керра

EMBED PBrush

EMBED Equation.3

где EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Электрооптический эффект Поккельса

EMBED PBrush

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Эффект Саньяка

EMBED PBrush

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Эффект фотодетектирования

EMBED PBrush

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Магнитоптический эффект

EMBED PBrush

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

ФТЭ излучения

EMBED PBrush

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Обозначения в таблице: n–показатель преломления; λ–длина волны; l–длина участка световода; B – константа Керра; ε0 – диэлектрическая проницаемость среды; γ41 – электрооптический коэффициент; n0 – коэффициент преломления при отсутствии электрического поля; S – площадь, окаймленная оптическим путем; k – волновое число; dl – элементарный участок оптического контура; Н – напряженность магнитного поля; V – постоянная Верде; Rs – сопротивление излучения; e – элементарный электрический заряд; hν – энергия фотона; η – квантовый выход (соотношение количества электронов и фотонов); Uмл – механическое линейное воздействие; KUмдUo(ϕ) – коэффициент эффекта фотоупругости; QЭ – заряд электр. цепи; KQэUo(ϕ) – коэф. эффекта Керра; Uэ – электрическое воздействие; KUэUo(ϕ) – коэф. эффекта Поккельса; Iму – механическая угловая реакция; KIмуUo(ϕ) – коэф. эффекта Саньяка; – электрическая реакция; KUоIэ – коэффициент эффекта фотодетектирования; Uμ – магнитное воздействие; KUμUo – коэффициент магнитооптического эффекта; KUоIэ – коэффициент эффекта излучения.

Как уже было отмечено выше, отличие рабочего волокна от опорного состоит в том, что распределенные параметры: комплексное погонное сопротивление Roi и комплексная погонная проводимость Goi, характеризующие свойства материала, изменяются под воздействием измеряемой величины, это влияние осуществляется опосредованно через изменяющиеся коэффициент преломления n, размеры световода, что приводит к изменению фазы фазы ϕ, которая является параметром проходящей через датчик оптической волны Pвых.

Однако влияние изменения размеров световода на изменение фазы распросраняющегося излучения как вторичного фактора можно не учитывать, а отнести к погрешности определения выходных параметров.

Таким образом, для описания оптических межцепных преобразований необходимо в модели оптических внутрицепных преобразований с распределенными параметрами заменить постоянные параметры на переменные, определив для них зависимость от реальных физических величин.

Опишем эффект фотоупругости с учетом распределения параметров. На основании разработанной ЭТМ оптической цепи и физических законов получена система уравнений:

EMBED Equation.3 (15)

Решаем систему уравнений с учетом того, что для диэлектрических световодов μ=1:

EMBED Equation.3 (16)

EMBED Equation.3 (17)

Зависимость между величинами и параметрами энерго-информационной модели и реальными физическими величинами:

Uмл=F(18)

EMBED Equation.3 ,(19)

EMBED Equation.3 ,(20)

EMBED Equation.3 , (21)

где k– коэффициент, зависящий от свойств вещества; ε0 – диэлектрическая проницаемость среды; S – площадь поперечного сечения световода; F – растягивающая сила., Roi – погонное комплексное сопротивление i-го звена, Goi – погонная комплексная проводимость i-го звена.

Энерго-информационная модель датчика на основе эффекта фотоупругости, в которой реализованы полученные зависимости, представлена параметрической структурной схемой (ПСС) (рис. 5) и формулами 15-20.

По разработанным ФТЭ были составлены паспорта. База данных по ФТЭ была пополнена этой информацией, что позволило расширить область синтезируемых ФПД за счет синтеза волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции.

Рис.5. ПСС волоконно-оптического датчика ФМ с эффектом фотоупругости

В четвертой главе описаны созданные алгоритмы синтеза вариантов физического принципа действия новых технических решений с учетом особенностей волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции, рассмотрены способы получения подмножества наилучших вариантов ФПД волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции по совокупности эксплуатационных характеристик.

Современные ВОД датчики имеют особенности, которые не позволяют использовать для их синтеза уже известные алгоритмы. В частности, эти преобразователи могут иметь более одной входной величины. Также под воздействием внешних факторов могут изменяться амплитуда, фаза или частота изменяемой по синусоидальному закону величины. Эти аргументы синусоидальной функции нельзя определить в терминах теории ЭИМЦ ни как параметр, ни как ФТЭ, ни как величину. В оптических приборах используются источник и приемник излучения, ФТЭ которых при синтезе ФПД не могут занимать произвольное положение в цепи.

Для учета особенностей ВОД ФМ предложено:

1. Декомпозировать эффекты с несколькими входами на элементарные преобразования так, чтобы одно ребро графа связывало только две вершины (при необходимости добавлять фиктивные вершины и/или ребра).

2. Использовать как самостоятельный элемент синтеза аргументы синусоидальной функции, описывающей величины (амплитуда, фаза, частота).

3. Учитывать при синтезе ФПД новых технических решений особенности таких ФТЭ, как источник и приемник излучения, которые могут быть использованы только как исток и сток графа соответственно.

4. Разделить элементы синтеза в зависимости от их участия в измерении на пассивные и активные (активные элементы будут вершинами графа, а пассивные – ребрами).

Для реализации синтеза ФПД была разработана топограмма ПСС, которая отражает особенности синтеза ВОД ФМ. Топограмма представляет собой набор возможных вариантов ПСС, элементарными звеньями которых являются параметры цепей различной физической природы, внутрицепные и межцепные физико-технические эффекты.

Для удобства обработки на ЭВМ топограмму представляют в виде графа (рис. 6), вершинами которого, как было предложено, являются активные элементы синтеза цепей различной физической природы, а ребрами — пассивные. Рис.6. Граф ФТЭ

Суть алгоритма синтеза заключается в поиске по графу кратчайшего пути от одной точки (величины) до другой. Для синтеза используется две матрицы: матрица преобразований (формула 22) и матрица весов.

EMBED Equation.3 (22)

Каждый элемент mnm матрицы М определяется следующим образом:

EMBED Equation.3

В матрице весов отражены весовые коэффициенты каждого элемента синтеза.

Созданные алгоритмы синтеза ФПД новых технических решений учитывают особенности ВОД ФМ.

После синтеза для каждого полученного технического решения выполняется расчет критериев, которые отождествляются с эксплуатационными характеристиками (диапазон, надежность, относительная погрешность, быстродействие, чувствительность, нелинейность, к.п.д., цена, экологичность, вес), по совокупности которых выполняется оптимизация. Числовые значения этих критериев указанны в паспортах ФТЭ. Расчет критериев различных структур цепи выполняется по известным формулам.

При осуществлении многокритериального выбора определяется целевая функция по совокупности критериев, так как размерность критериев различна, их нормируют. Для сведения частных показателей к целевой функции используется аддитивный критерий оптимальности.



Страницы: 1 | 2 | Весь текст