CC BY
101
Граф-аналитическая модель зависимости достоверности приема сообщений от отношения сигнал-шум для нормальной помехи представлена на рис. 7. Данная зависимость построена в среде TCWin (фирма Jandel Scientific) путем подбора моделей по критерию минимума среднеквадратического отклонения из полного списка внутренней базы данных.
Выводы. Результатами моделирования подтверждена возможность передачи сообщений в структуре системы связи с управлением распределением вероятности хаотического несущего колебания. Определены условия правильной (с вероятностью не менее 0,92) передачи сообщений в виде двоичных кодовых слов по каналам связи при наличии равномерных и нормальных помех. Оценена минимальная длина (Ns«500) одного символа передаваемого кода, при которой обеспечивается 92 % достоверность.
Предложенный способ развивает теорию и технику прямохаотических систем связи.
Перспективы использования данного способа передачи сообщений связаны с проведением сравнительных исследований с другими подобными системами.
4. Дмитриев, Ю. А. Селективные свойства схемы некогерентного приема с использованием опорного генератора хаоса [Электронный ресурс] / Ю. А. Дмитриев // Журнал Радиоэлектроники - М. : Изд-во ИРЭ РАН, 2012. - № 10. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru (дата обращения: 18.05.2013).
5. Кликушин, Ю. Н. Классификационные шкалы для распределений вероятности [Электронный ресурс] / Ю. Н. Кли-кушин // Журнал радиоэлектроники - М. : Изд-во ИРЭ РАН, 2000. — № 11. — Режим доступа: http://jre.cplire.ru (дата обращения: 18.05.2013).
6. Кликушин, Ю. Н. RGB — шкала для измерения распределений [Электронный ресурс] / Ю. Н. Кликушин // Журнал радиоэлектроники - М. : Изд-во ИРЭ РАН, 2008. - № 3. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru (дата обращения: 18.05.2013).
7. Кликушин, Ю. Н. «Цветовая» модель распределений [Электронный ресурс] / Ю. Н. Кликушин, В. Ю. Кобенко, А. С. Колмогоров // Журнал радиоэлектроники. — М. : Изд-во ИРЭ РАН, 2011. — № 10. — Режим доступа: http://jre.cplire.ru (дата обращения: 18.05.2013).
8. Кликушин, Ю. Н. Идентификационный способ классификации сигналов / Ю. Н. Кликушин, В. Ю. Кобенко // Омский научный вестник. — 2013. — №2 (120). — С. 267 — 272.
Библиографический список
1. Перспективы создания прямохаотических систем связи в радио и СВЧ-диапазонах / А. С. Дмитриев [и др.] // Радиотехника. - 2000. - № 3. - С. 9-20.
2. Прямохаотическая передача информации в СВЧ-диапазоне / А. С. Дмитриев [и др.] // Препринт - М. : Изд-во ИРЭ РАН, 2000 - № 1 (625). - 50 с.
3. Дмитриев, А. С., Динамический хаос: новые носители информации для систем связи / А. С. Дмитриев, А. И. Панас. -М. : Изд-во Физико-математической литературы, 2002. - 252 с.
КЛИКУШИН Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Технология электронной аппаратуры». КОБЕНКО Вадим Юрьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология электронной аппаратуры». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 07.06.2013 г. © Ю. Н. Кликушин, В. Ю. Кобенко
УДК 621.31:681.586.5 326
А. Д. БЯЛИК В. А. ГРИДЧИН М. А. ЧЕБАНОВ
Новосибирский государственный технический университет
о
S
*
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА
В работе рассматриваются вопросы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков (ВОД) давления. Исследуется преобразовательная характеристика и влияние на нее конструктивных параметров ВОД.
Ключевые слова: волоконно-оптические датчики, давление, функция преобразования.
Введение. Амплитудные волоконно-оптические датчики (ВОД) давления имеют ряд преимуществ перед тензорезистивными и емкостными, такие как нечувствительность к электромагнитным полям, пожаро-, взрыво- и электробезопасность. Это обусловлено их принципом действия, заключающимся в перераспределении светового потока между излучающими и приемными оптическими волокнами из-за перемещения микрозеркала под действием измеряемого давления [1-3].
Общие вопросы проектирования амплитудных ВОД давления рассматривались в работах [1-5].
Преобразовательная характеристика амплитудных ВОД давления рефлектометрического типа имеет структуру:
u=f3{f2[f1(p)]},
(1)
где F1, F2, F3 — частные функции преобразования, которые соответствуют трем этапам преобразова-
ния: давления в перемещение микрозеркала, перемещения микрозеркала в изменение светового потока и изменение светового потока в электрический сигнал; р — измеряемое давление [3 — 8].
К настоящему времени подробно исследованы особенности функции преобразования F2 и их влияние на погрешности измерения [3 — 7]. В датчиках давления необходимо дополнительно учитывать нелинейность частной функции преобразования F1 и оптимизировать параметры всего оптомеханиче-ского узла (оптоволокна + микрозеркало), что до сих пор детально не описано. В данной работе численными методами определяется функция преобразования F1 и исследуется влияние геометрических параметров на функцию преобразования оптомеха-
нического узла в целом — = Р2[р,(р)], где 10 — интенсивность светового потока, выходящего из излучающего волокна, I — интенсивность светового потока, попадающего в приемное волокно.
1. Математическая модель оптомеханического узла датчика. На рис. 1 представлена конструкция оптомеханического узла, содержащего два оптических волокна (излучающее и приемное) и отражающее микрозеркало, нормаль которого параллельна осям оптических волокон. В датчиках давления микрозеркало одновременно является и упругим элементом (УЭ), на которое воздействует давление измеряемой среды. Это порождает специфическую особенность проектирования микрозеркал: необходимо обеспечить максимальное перемещение при деформациях микрозеркала, не превосходящих предельно допустимых (рис. 1).
Микрозеркало изготавливается из кремния методами микропрофилирования. Оно имеет квадратную тонкую мембрану с жестким центром и неподвижную толстую рамку.
При стандартной схеме нагружения давление приближает микрозеркало к волокнам. Для датчиков абсолютного давления возможно и обратное перемещение.
1.1. Функция преобразования F1. Численное моделирование прогибов УЭ датчика давления проводилось с помощью пакета программ ANSYS (11 версия) методом конечных элементов (МКЭ) как одним из самых распространенных численных методов [9]. Микрозеркало имело общие размеры 10x10x0,48 мм с профилированной квадратной мембраной 5х5 мм, толщина которой варьировалась в ходе вычислительного эксперимента 35, 40 и 45 мкм. На обратной стороне мембраны был сформирован жесткий центр с квадратным основанием размером 1,8x1,8 мм. В процессе численного моделирования использовалась сетка конечных элементов SOLID185 (рис. 2б), что позволяет рассчитывать линейные и нелинейные
Рис. 1. Схема конструкции оптомеханического узла датчика
деформации трехмерных структур и учитывать анизотропию упругих свойств кремния. Схематически способ нагружения мембраны измеряемым давлением и граничные условия в виде полного ограничения перемещении нижнего основания показаны на рис. 2а.
Результаты расчетов частной функции преобразования F1 для разных толщин микрозеркала представлены на рис. 3.
В интервале давлений 0<р<105 Па характеристика мембраны нелинейна, и ее с хорошим приближением можно аппроксимировать квадратичной функцией [8, 9]:
г = С,-р + С2-р2
(2)
где С1 и С2 зависят от геометрии микрозеркала и упругих постоянных кремния. Так, для толщины мембраны h = 40 мкм коэффициенты равны С1 = 43,28-10-5 мкм/Па., С2=-11,08-10-10 мкм/Па2. Необходимо также отметить, что значения С1 и С2 не зависят от того, с какой стороны к мембране прикладывается давление [8, 9].
1.2. Функция преобразования оптомеханиче-ского узла. Общий вид функции преобразования рассмотрен в ряде работ [5 — 8]. Учитывая эти результаты и выражение (2), функцию преобразования всего оптомеханического узла представим в виде, удобном для анализа влияния геометрических параметров на чувствительность и нелинейность:
1
а-вша
(1 + 2-1дЭ)'
I
у-2 V
если-<х<-
1дЭ 1дЭ
1
10 (1+2-1дЭ)
у,если г> -
(3)
Рио 2. а) схема нагружения УЭ и граничные условия; б) конечноэлементная модель УЭ
г, мкм 40
30
20
10
I ь =
' ь=
■ к , ь=
л
/V ж ►
/ ■ /
с*
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
р, х105 Па
Рис. 3. Частная функция преобразования F1 для разных толщин мембраны
в, 8И, 1/Па 4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
1
8
---ЕЧ,
/
/
—\ \ / г / /
/
1
\ //
\ //
*
— —1— —,— —¡— —1— 1 1
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
2.
Рис. 4. Зависимости дифференциальной 5 и интегральной SИ чувствительности от т0; г = 40 мкм, h = 40 мкм
N1,%
50
40
30
20
10
-10
-20
-30
-40
-50
1 мембрана (Ъ = 40 мкм) отклоняется в сторону:
1
- к оптовлокну
г.......
у
-*
У 1- - — - — -
/ /
/
\ /
V
1
о
зг
10 11 12
Рис. 5. Зависимости нелинейности М от т.
«рУ. 6.0
5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5
Функция преобразования (Ь = 40 мкм) - - пясчептяя
---- - линеа] ризованная
4
1
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
р, х10 Па
Рис. 6. Функция преобразования оптомеханического узла для случая
М = 0 и га = 5,14
Ш.,%
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
Ь = 40 мкм N1, = 1.376%
г"'" ■V
V"
) "Л........
г ■....... ■ \
: \
\ Г
\ г г
\ ............. г г
........\"
V *
1
0,0
02
0,4
0,6
0,8
1,0
р, х10 Па
Рис. 7. Отличие реальной функции преобразования от линеаризованной
р, х105 Па
Рис. 8. Экспериментальная функция преобразования ВОД
0
1
1 п v
— = 0 , если ъ < 1„
где
а = 2 • агссоэ
1 + у2+(1 + г-1д9)2
2-у
Р = 2 • агсэт
эт
а.
2-(С,-р-С2-р2)
(3а)
где г0 = —
приведенное расстояние между оп-
товолокном и мнимым источником излучения («рабочая точка»); v = — — приведенное расстояние г
между осями оптических волокон.
Из выражения (3) численно определяется дифференциальная чувствительность по давлению:
3 = А
ар
с1г
Ч^о у
dz
йр1=О
- Б, -32
(4)
где S1 — чувствительность микрозеркала по перемещению, S2 — чувствительность оптомеханическо-го узла по перераспределению светового потока к перемещениям микрозеркала.
Для практических целей чувствительность обычно определяется через наклон прямой, проведенной через крайние точки характеристики 1/10 измеряемого диапазона давлений (интегральная чувствительность):
1(рк)
V !о
м
I,
(5)
о у
где рн — номинальное давление, 1(0) — световой поток приемного волокна при р = 0.
Нелинейность далее будем определять через максимальное отклонение преобразовательной характеристики (3) при некотором давлении р*(0<р*<рн) от линеаризованной (5), отнесенное к максимальному изменению светового потока при р = рн.
N1 =
1(Р)
уЛ^и'РН
р_
рн.
•100%.
(6)
Чувствительность и нелинейность функции преобразования оптомеханического зависят от ряда конструктивных параметров: V, z, 0, г, С1, С2. Из них в данной работе рассмотрена роль расстояния оптических волокон до микрозеркала z и нелинейность упругого элемента С2.
2. Результаты моделирования и их обсуждение. Из выражений (2), (3а) и (4) видно, что дифференциальная чувствительность по давлению S пропорци-
ональна S2:
-2 с
(7)
Из-за нелинейности выражения (3) следует сильная зависимость чувствительности от расстояния между оптическими волокнами и микрозеркалом z0. На рис. 4 приведены зависимости дифференциальной S и интегральной SИ чувствительности от z0.
Как видно из рис. 4, каждая из них может быть положительной, отрицательной или равной 0. Некоторое отличие в зависимостях связано с различными определениями чувствительностей выражениями (4) и (5).
При выбранных конструктивных параметрах оптоволоконного узла максимальное значение дифференциальной чувствительности достигается при z0«3,12, а нулевое при z0«6,44.
Выбор оптимального расстояния z0 для оптомеха-нического узла необходимо проводить, ориентируясь не только на чувствительность, но и на нелинейность функции преобразования.
На рис. 5 приведена зависимость нелинейности от выбора «рабочей точки» z0 для диапазона давлений 0-105 Па.
Ход зависимостей различен для случаев приложения давления к разным сторонам микрозеркала. Если давление смещает микрозеркало к оптоволок-нам, то нелинейность переходит через 0 при z0 = 5,14, а при смещении в обратном направлении — при z0 = 6,5. Из-за двузначности функции преобразования (3) возможен случай, когда знаменатель выражения (6) SИ•pн обращается в ноль, и зависимость М = ^0) имеет разрыв.
Равенство N1 = 0 не означает локальную линейность функции преобразования, а лишь отсутствие нелинейности в среднем на измеряемом интервале давлений, что связано со спецификой оценки нелинейности согласно выражению (6). На рис. 6 приведена функция преобразования оптомеханического узла для случая N1 = 0 и z0 = 5,14, а на рис. 7 отличие реальной функции преобразования от линеаризованной.
Показанная на рис. 7 зависимость имеет симметричный вид. Любое смещение от z0 = 5,14 приводит к нарушению симметрии и увеличению нелинейности.
Таким образом, расстояние z0 = 5,14 при выбранных размерах оптических волокон и расстоянии между ними является оптимальным по нелинейности, но интегральная чувствительность SИ=—3,025 оказывается меньше максимально возможной, которая равна: SИ=—3,787 при z0 = 4,18.
Выбор рабочей точки по нелинейности (из условия N1 = 0) является все-таки определяющим, поскольку при z0 = 4,18 нелинейность равна N1 = 7,4 %, тогда как при z0 = 5,14 имеем М<1,4%.
На рис. 8 приведена экспериментальная функция преобразования разработанного волоконно-оптического датчика давления, описанного в [8].
При толщине мембраны h = 40 мкм нелинейность функции преобразования М<1,0 %, что согласуется с приведенными выше теоретическими оценками.
Заключение
1. При помощи метода конечных элементов проведена оценка влияния геометрических размеров и способов нагружения УЭ амплитудного ВОД давления на его функцию преобразования и, как следствие, на выбор режима работы по критериям чувствительности и нелинейности.
2. Показано, что для выбора оптимального режима работы такого датчика нелинейность является более жестким критерием по сравнению с чувствительностью.
Библиографический список
1. Бусурин, В. И. Волоконно-оптические датчики: физические основы расчета и применения / В. И. Бусурин,
Ю. Р. Носов. - М. : Энергоатомиздат, 1990. - 256 с. - ISBN 5-283-01523-8.
2. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси [и др.]. — Л. : Энергоатомиздат, 1990. - 256 с. - ISBN 5-283-02466-0 (СССР); ISBN 4-274-03123-3 (Япония).
3. Зак, Е. А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией / Е. А. Зак - М. : Энергоатомиздат, 1989. - 128 с. - ISBN 5-283-01502-5.
4. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом / А. Г. Пивкин [и др.]. - М. : МГУЛ, 2004 - 246 с.
5. Бялик, А. Д. Амплитудные волоконно-оптические датчики как элементы систем управления и контроля в электроэнергетике / А. Д. Бялик // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. - № 1. - С. 278-282.
6. Бялик, А. Д. Методика расчета функции преобразования амплитудных волоконно-оптических датчиков как элементов систем управления и контроля электроэнергитического оборудования / А. Д. Бялик // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. - № 1. - С. 276-278.
7. Бялик, А. Д. Исследование основных параметров преобразовательных характеристик амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа / А. Д. Бялик // Омский научный вестник. - 2009. - № 3 (83). - С. 220-222.
8. Бялик, А. Д. Разработка и исследование амплитудных волоконно-оптических датчиков давления : дис. ... канд. техн. наук : 05.11.13 : защищена 23.12.2009 : утв. 09.04.2010 / А. Д. Бялик ; ОмГТУ. - Омск, 2009. - 169 с.
9. Гридчин, В. А. Физика микросистем / В. А. Гридчин, В. П. Драгунов // Физика микросистем : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2004. - 416 с. - ISBN 5-7782-0446-9.
БЯЛИК Александр Давидович, кандидат технических наук, доцент кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники. ГРИДЧИН Виктор Алексеевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники. ЧЕБАНОВ Михаил Александрович, ассистент кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 05.06.2013 г. © А. Д. Бялик, В. А. Гридчин, М. А. Чебанов
УДК 535.015,514.88 А. В. ЗУБАРЬ
В. А. МАЙСТРЕНКО К. В. КАЙКОВ
Омский филиал Военной академии материально-технического обеспечения
Омский государственный технический университет
ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СТЕРЕОСИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ
Рассматривается подход измерения дальности до объекта на основе информации двух видеокамер, располагающихся на известном расстоянии друг от друга, визирные оси которых параллельны. Показано решение задачи определения дальности стереоскопическим оптико-электронным дальномером, изложена методика, и приведены результаты расчета ошибки определения дальности. Приведены экспериментальные данные.
Ключевые слова: определение дальности, стереоскопический способ, методика оценки точности, изображение, калибровка камеры.
На сегодняшний день оптико-электронные системы пространственного определения местоположения объектов наблюдения получают все больше распространение. Они применяются в специальной технике, используются для обнаружения и локализации искусственных объектов в воздушном, космическом и наземном пространстве для борьбы со стихийными бедствиями, в техническом зрении роботизированных систем и т.д. Оптико-электронные системы можно подразделить на системы, работающие в видимой, инфракрасной (ИК) и ультрафиоле-
товой (УФ) областях оптического излучения, а также многоспектральные системы. Системы видимого диапазона конструктивно просты и недороги. К этому классу относятся телевизионные и видеосистемы. Их работоспособность зависит от светотехнической обстановки.
В комплексе задачу определения координат объектов, находящихся на обширной территории, и их идентификацию можно решить на базе оптико-электронной стереосистемы, работающей по принципу человеческих глаз [1]. То есть удаление объекта от
