CC BY
17
Указанные формулы были использованы для полученная для каждого интервала калибровки ку-
оценки прогноза изменения систематической со- сочно-линейной аппроксимацией при условии отсут-
ставляющей погрешности в одной точке диапазона ствия случайной составляющей погрешности,
измерений калибруемого СИ в следующем интервале Выводы 1. Оценка нестабильности СИ в соответ-
между калибровками. ствии с методикой, изложенной в РМГ 115-2011
Результаты моделирования для одной совокуп- [8], приемлемо работающей в условиях линейной
ности исходных данных приведены в таблице, по- модели нестабильности СИ [9], работает некор-
лученной для = 0,1 • А , а = 0,16 , М =3 месяца. ректно в условиях нелинейной (эксп°ненциальн°й)
модели нестабильности СИ, что следует из сравнения строк VI ном и РМГ 115-2011 таблицы 1.
2. Оценка нестабильности СИ методами скользящей средней обеспечивает лучшие результаты при п = 3 , чем при п = 4 или 5 для всех методов скользящей средней, исследованных в работе.
Результаты моделирования получены для простой ( MA ), линейно-взвешенной ( WMA ) и экспоненциальной ( EMA ) скользящих средних, а также в соответствии с рекомендациями РМГ 115-2011 [8]. В качестве номинального значения нестабильности СИ ( ном ) использована оценка нестабильности СИ,
ЛИТЕРАТУРА
1. Новицкий П.В., Зограф И.А., Лабунец В.С. Динамика погрешностей средств измерений. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 191 с.
2. Бержинская М.В., Данилов А.А. Теоретические основы экспериментального определения погрешности от временной нестабильности средств измерений // Измерительная техника. - 2009. - № 3. - С. 11-12. // Berzhinskaya M.V., Danilov A.A. Theoretical principles for the experimental determination of errors due to instability of measuring instruments over time // Measurement Techniques. - 2009. -V. 52. - № 3. - P. 220-222.
3. Бержинская М.В., Данилов А.А. Анализ статистических методов определения нестабильности средств измерений // Законодательная и прикладная метрология. - 2008. - № 4. - С. 2-5.
4. РМГ 74-2004 ГСИ. Методы определения межповерочных и межкалибровочных интервалов средств измерений.
5. Данилов А.А. Методы установления и корректировки межповерочных и межкалибровочных интервалов средств измерений // Главный метролог. 2005. №6. С. 29-36.
6. Агафонова О.В., Бержинская М.В., Данилов А.А. Об оценивании нестабильности средств измерений при использовании различных экземпляров однотипных эталонов // Сб. докл.: Труды международного симпозиума «Надежность и качество». Пенза: изд-во ПГУ - 2013. -Т. 2. - С. 69-70.
7. Бублей Д.В. О назначении интервалов между калибровками средств измерений // Сб. докл.: Труды международного симпозиума «Надежность и качество». Пенза: изд-во ПГУ - 2013. -Т. 2. - С. 71-72.
8. РМГ 115-2011. ГСИ. Калибровка средств измерений. Алгоритмы обработки результатов измерений и оценивания неопределенности.
9. Данилов А.А., Бержинская М.В., Голубинский Ю.М., Спутнова Д.В. Об оценке нестабильности средств измерений, применяемых при калибровке / Сб. докл. XIII международного семинара «Неопределенность измерений: научные, законодательные, методические и прикладные аспекты» (UM-2016) // Минск: БелГИМ, 2016. - С. 53-56.
10. Данилов А.А. Теоретические основы сличения эталонов // Законодательная и прикладная метрология. - 2007. - № 2. - С. 13-18.
УДК 621.391.677: 519.711.3 Якимов А.Н., Неробеев А.В.
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, радиотехника, С.-Петербург, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КОНСТРУКЦИЮ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
Волноводно-щелевые антенные решетки, размещенные на подвижных объектах, испытывают вибрационные воздействия, деформирующие их излучающие поверхности. Отклонения размеров, угла наклона и места расположения щелевых отверстий от расчетных значений, возникающие при деформации излучающей поверхности влияют на формирование требуемого амплитудно-фазового распределения электрического поля, определяющего параметры диаграммы направленности антенной решетки и радиотехнической систем в целом.
Вследствие трудностей математического анализа результатов таких воздействий для исследования использовался пакет, работающий на основе конечно-элементных представлений. Проведено исследование влияния гармонических вибрационных воздействий на конструкцию плоской волноводно-щелевой антенной решетки в типичном для подвижного объекта диапазоне частот и амплитуд. Анализ полученных результатов показал, что возникающие деформации существенны и их необходимо учитывать при расчете характеристик излучения.
Ключевые слова:
антенная решетка, излучающая поверхность, вибрации, деформация.
Введение
Волноводно-щелевые антенные решетки (ВЩАР) широко используются в составе радиотехнических систем различного назначения, расположенных на подвижных объектах. Корпус такой антенной решетки образует излучающую апертуру прямоугольной или круглой формы, которая составлена из волноводов прямоугольного сечения, соединенных между собой по узким стенкам. На широкой внешней стенке каждого волновода выполнена излучающая система в виде цепочки щелевых отверстий. Точность выполнения щелевых отверстий, а также отклонения размеров, угла наклона и места расположения щелевых отверстий от расчетных значений, возникающие при деформации излучающей поверхности ВЩАР существенным образом влияет на формирование требуемого амплитудно-фазового распределения электрического поля, определяющего параметры диаграммы направленности (ДН) антенной
решетки и радиотехнической систем в целом [1, 2].
Наиболее высокие требования предъявляются к ВЩАР, работающим в составе бортовых антенно-фи-дерных систем (АФС) диапазона крайне высоких частот (КВЧ), соответствующего миллиметровому диапазону волн. Однако и в сантиметровом диапазоне такое влияние остается существенным.
В связи с этим актуальными оказываются исследование влияния вибрационных воздействий на конструкцию ВЩАР и оптимизация, этой конструкции с целью минимизации такого влияния.
Основная часть Транспортируемая радиотехническая система (РТС), содержащая ВЩАР, по сравнению со стационарными РТС в большей степени подвержена воздействию вибрации и ускорений, которые возникают из-за наличия неуравновешенных подвижных масс, при работе двигателей, передвижении объектов по
дорогам, посадках самолётов и т.д. Так, например, для автомобильного транспорта характерны: вибрации в диапазоне частот от /Шт = 4 Гц до
/шах = 80 Гц и ускорения а = 20...70 м/с2; для морских и речных судов характерны: вибрации в диапазоне частот от /Шп = 4 Гц до /Шах = 150 Гц и
ускорения
a = 60...80 м/с2;
для летательных аппа-
ратов характерны: вибрации в диапазоне частот от /шт = 5 Гц до /Шах = 2000 Гц и ускорения а = 1...200
м/с2. Следует отметить, что при ударных воздействиях ускорения для летательных аппаратов могут достигать а = 100...900 м/с2 при длительности воз-
5...15 мс, что также необходимо учи-
действия тывать в расчетах [3].
Линейные ускорения а характерны для всех объектов, движущихся с переменной скоростью. Влияния линейных ускорений на конструкции радиоэлектронных средств обусловлено силами инерции, которые могут во много раз превышать силы тяжести. Так, например, если на объект с массой т0 в состоянии покоя действует сила тяжести
О = т0 - £ ( £ = 9,81 м/с2 - ускорение свободного
падения), то при движении с ускорением а тот же объект дополнительно подвергается воздействию
силы инерции ри = то - а .
Тогда результирующая сила Рр , действующая на
этот объект, составит сумму сил Ри и О с учетом их векторного характера.
Рр = Ри + О . (1)
Таким образом, для определения силы Рр , действующей на исследуемую ВЩАР, необходимо сначала определить ее массу то •
т0 = р-У , (2)
где р - удельная плотность материала, из которого изготовлена ВЩАР; У - объем, занимаемый этим материалом.
Конструкция типичной ВЩАР схематично изображена на рис. 1.
Рисунок 1 - Прямоугольная волноводно-щелевая антенная решетка: 1 - волноводы; 2 - излучающие щелевые отверстия; 3 - отверстия связи; 4 - излучающее полотно
Здесь N - число волноводов; M - число излучающих щелей в одном волноводе; п - порядковый номер волновода; m - порядковый номер излучающей щелей в волноводе; X , у , 2 - оси правой декартовой системы координат 02Ху ; 1щ , dщ -
длина и ширина щели соответственно; А - толщина стенок волновода; /^ , ^ , /^ - ширина, высота и длина внутренней полости волновода соответственно; Ь , ^ , Ьз - внешние размеры излучающих волноводов (ширина, высота и длина соответственно).
В соответствии с рис. 1, ВЩАР составлена из волноводов прямоугольного сечения, соединенных между собой по узким стенкам. На широкой внешней стенке каждого волновода выполнена излучающая система в виде цепочки щелевых отверстий. В сантиметровом диапазоне излучающие отверстия пробиваются в излучающем полотне штампом, а соединения осуществляются путем пайки в соляных ваннах.
Однако с помощью такой технологии недостижимы параметры точности, предъявляемые к ВЩАР в миллиметровом диапазоне волн, в котором целесообразно использовать методы фотохимического травления, гальванопластики или электроэрозионной обработки. При реализации гальванопластического метода, например, на заготовку корпуса ВЩАР с изготовленными механообработкой волноводными каналами (без внешней стенки) наращивается сплошное металлическое полотно, надежно сцепленное со стенками каналов, далее проводится коор-динатно-прошивочная электроэрозионная обработка излучающих отверстий и отверстий связи. Таким образом, получается цельная металлическая конструкция ВЩАР [3].
Силовое воздействие на прямоугольную ВЩАР, изображенную на рис. 1, может найдено по формуле (1) после предварительного расчета ее массы по формуле (2). Для данной конструкции
V = V - V - V - V
у 'г ' вн ' щ 'о ,
(3)
где у = ь - ь - ь = (/1 + 2а) - (/2 + 2а) - (/3 + 2а) - объем пространства, ограниченного габаритными размерами ВЩАР; уъи = /1 -/2 -/3 - объем внутреннего про-
ущ = /щ - dщ-а-м - N -
странства ВЩАР; объем излучающих щелей; V =S0-А-N объем отверстий связи; S,
J о
суммарный суммарный площадь отверстия зависящая
или отверстий связи в одном волноводе, от формы отверстия.
Реальная же конструкция дополняется и другими конструктивными элементами. Например, для резонансной ВЩАР дополнительными элементами будут: коротко замыкающие пластины, питающие волновод-ные каналы. В этом случае формула (3) преобразуется к следующему виду
У = У - У - У - У + 2 У + У (4)
у г вн ' щ 'о'-^кз1' пит , (4)
где УКз - объем пластины, замыкающей излучающие
волноводы в плоскости
zOy ; Vra
объем кон-
струкционного материала, формирующего волновод-ные каналы, питающие ВЩАР.
В пакете Solid Works исследовано влияния гармонических вибрационных воздействий на цельнометаллическую конструкцию плоской волноводно-щелевой антенной решетки, установленную на летательном аппарате в типичном диапазоне частот и амплитуд. Конструкция антенной решетки с рав-ноамплитудным и синфазным возбуждением, закрепленная в ее центральной части, имела следующие
Таким образом, даже при относительно малых размерах исследуемой ВЩАР они оказываются существенными и составляют единицы миллиметров.
параметры: ширину 250 мм, длину 1000 мм, толщину 12 мм; число волноводных каналов размером 23 х10
мм равно 10; длина электромагнитной волны Я=3,2 см; материал - латунь с объемной плотностью
р = 8500 кг/м3 .
На рис. 2 приведена модель рассмотренной ВЩАР в Solid Works, деформированная в результате гармонического вибрационного воздействия с частотой f =50 Гц и амплитудой ^^ = 1500 Н . Локальные отклонения Az излучающей поверхности ВЩАР оценивались по оси Oz , т.е. по нормали к исходному положению излучающего полотна (см. рис. 1)
Рисунок 2 - Деформированная ВЩАР
Зависимость максимальных отклонений Агтах от амплитуды гармонических колебаний ^т в интервале от 0 до 1500 Н при / =50 Гц приведена на рис. 3.
Исследование показало, что вибрационные воздействия летательного аппарата привели к деформации излучающего полотна ВЩАР с АZmax = 4,3 мм.
Рисунок 3 - Максимальные отклонения АZmax в интервале изменения ^т
Заключение
Учитывая, что допустимые отклонения излучающей поверхности в направлении движения электромагнитной волны Аг не должны приводить к отклонению фазы более чем на ±^/8 , деформации ВЩАР не должны превышать Х/16 [4]. Следовательно, для Я=3,2 см Аг составит 2 мм, а для Х=8 мм -0,5 мм. Полученные результаты указывают на возникновение при рассмотренных вибрационных воздействиях недопустимых деформаций, влияющих на характеристики их излучения, что подтверждается и другими работами, выполненными ранее [5, 6] . В связи с этим возникает необходимость оптимизации конструкции ВЩАР с целью исключения или минимизации такого влияния.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прокофьев, Л.И. Методы изготовления волноводно-щелевых антенных решеток для бортовых АФС КВЧ-диапазона длин волн/ Л.И. Прокофьев, Ю.А. Светлаков, А.Ю. Седаков// Новые промышленные технологии, 2009. - №3. - С. 11-14.
2. Якимов, А.Н. Дискретное представление - основа моделирования антенн сложной конфигурации/ А.Н. Якимов, Э.В. Лапшин, Н.К. Юрков // Известия Самарского научного центра РАН. - т. 16. - № 4(2). -2014. - С. 454-458.
3. Муромцев, Д.Ю. Компьютерные технологии для расчёта тепловых режимов и механических воздействий: учебное пособие / Д.Ю. Муромцев, О.А. Белоусов. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. -88 с.
4. Антенны УКВ/ под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 1. - М.: Связь, 1977. - 384 с.
5. Талибов, Н.А. Моделирование влияния вибраций на характеристики волноводно-щелевой антенны / Н.А. Талибов, А.Н. Якимов // Труды Международного симпозиума Надежность и качество.- 2009. - Т 1 -С. 355-358.
6. Талибов, Н.А. Оценка влияния деформации волноводно-щелевой антенны на ее диаграмму направленности / Н.А. Талибов, А.Н. Якимов // Труды Международного симпозиума Надежность и качество.-2008. - Т 2 - С. 146-148.
УДК 620.169.2
Ишков А.С., Цыганков А.И., Секретов Е.В.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет»
Пенза, Россия
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Разработана методика проведения испытаний на кратковременную безотказность в ускоренном режиме проволочных потенциометров и методика прогнозирования значений их показателей надежности. Ускоряющим фактором процессов, приводящих к отказам электрических элементов является повышенная температура среды. Вид зависимости между количественными показателями надежности и количественными характеристиками внешних воздействий определяется аналитическим путем на основе рассмотрения принятой модели влияния физико-химических процессов на надежность потенциометров. Теоретическая зависимость максимально возможного коэффициента ускорения от величины энергии активации, получена на основании закона Аррениуса. Коэффициент ускорения используются для определения гамма-процентной наработки до отказа проволочных потенциометров на основе результатов испытаний. Применение математических моделей, описывающих физико-химических процессы проволочных потенциометров позволяет сократить объем и продолжительность дорогостоящих испытаний на надежность.
Ключевые слова:
проволочный потенциометр, температура, гамма-процентная наработка.
Введение осно
Резистивные датчики широко используются в ную
различных системах наведения, измерительных воло
устройствах следящих систем, системах управления ляет
приводами антенн и в других подобных информаци- Для
онно-управляющих системах. В соответствии с тре- кает
бованиями нормативно-технической документации мент
вными показателями, характеризующими надеж-работу резистивных датчиков на основе прочных потенциометров при их эксплуатации, яв-ся гамма-процентная наработка до отказа (Ту). подтверждения требований надежности допус-ся использовать следующие методы: экспери-альный на основе испытаний на кратковремен-
