автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Датчики механических величин, инвариантные к дестабилизирующим факторам

на правах рукописи

ЛИМАНОВА Наталия Игоревна

□ОЗОВТ8БЗ

ДАТЧИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, ИНВАРИАНТНЫЕ К ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИМ ФАКТОРАМ

Специальность 05.13.05 — Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С П Королева» (СГАУ)

Научный консультант Заел деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Конюхов Николай Евгеньевич

Официальные оппоненты Лауреат государственной премии СССР,

доктор технических наук, профессор Домрачев Вилен Григорьевич

Заел деятель науки и техники РФ, академик Метрологической академии РФ, доктор технических наук, профессор Куликовский Константин Лонгинович

доктор технических наук, профессор Стеблев Юрий Иванович

Ведущее предприятие Федеральное государственное унитарное

предприятие «НИИ физических измерений», г Пенза

®

Защита диссертации состоится « » .Л^оиитпХХ^ 2007 г в Ш часов на заседании диссертационного совета Д 212.215 05 при ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С П Королева» по адресу. 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, корпус За

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ

Автореферат разослан « •/2.» срЛшиЛ^ 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

А А Калентьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Автоматизация процессов измерения, управления и контроля в различных областях науки и техники требует широкого применения датчиков механических величин (ДМВ) различной физической природы В реальных условиях эксплуатации на ДМВ оказывают влияние внешние и внутренние дестабилизирующие факторы (ДФ), приводящие к существенному изменению номинальных выходных характеристик преобразователей и к возникновению погрешностей измерений

Повышение точности и стабильности датчиков во многом достигается благодаря развитию структурно-алгоритмических методов коррекции погрешностей Применение встроенных микропроцессорных вычислительных средств и персональных компьютеров (ПК) в составе автоматизированных систем управления (АСУ) позволяет использовать достаточно сложные и эффективные алгоритмы обработки сигналов и значительно увеличить точность датчиков

В теорию и практику повышения точности и стабильности датчиков на основе структурно-алгоритмических методов большой вклад внесли Т М Алиев, Э М Бромберг, Э И Гитис, В М Гречишников, В Г Домрачев, М А Зсмель-ман, Н Е Кошохов, К Л Куликовский, Г И Леонович, Л М Логвинов, В Н Нестеров, П В Новицкий, П П Орнатский, С П Персии, Б Н Петров, В В Сазонов, Ю А Скрипник, Ю И Стеблев, Ю М Туз, В К Шакурский, К Б Клаассен, Т Роман, Н Hart, Н Juttemann, Н Kollner, I Lira, W Lotze, А Morris, I Morse, J Piotrowski, E Schrufer, F Tse, P Taubert и ряд других авторов Анализ представленных в их трудах методов коррекции погрешностей показал, что практической областью использования методов образцовых мер, итерационных и тестовых является измерение электрических величин, преимущественно тех, для которых создание точных обратных преобразователей, а также аддитивных и мультипликативных тестов контролируемых параметров не вызывает трудностей Методы инвариантных преобразований, использующие мостовые схемы включения датчиков, позволяют скорректировать только погрешности чувствительных элементов (ЧЭ) и мостовой схемы

С точки зрения коррекции погрешностей всего измерительного тракта от ЧЭ до микропроцессора наиболее перспективными являются тестовые методы, тк они не требуют отключения контролируемого параметра от входа преобразователя Однако, при существующем подходе, когда функция преобразования датчика описывается полиномом п -ой степени, либо используется кусочно-линейная аппроксимация, для реализации тестового алгоритма необходимо формирование в устройствах тестов двух типов аддитивных и мультипликативных Получение точного и стабильного значения аддитивного теста в ДМВ обычно не вызывает затруднений, а создание мультипликативного теста не всегда осуществимо в связи с конструктивно-технологическими трудностями умножения на постоянный коэффициент для механических величин, таких как перемещение, его производные и т д Необходимость использования обязательно тестов двух типов в известных тестовых алгоритмах сужает их область использования

На практике при проведении тестовых измерений часто используется кусочно-линейная аппроксимация выходной характеристики датчика Согласно условиям формирования тестового алгоритма все тесты и измеряемая величина должны одновременно находиться в пределах одного интервала аппроксимации Только в этом случае могут быть определены реальные значения коэффициентов линейной зависимости При нелинейной функции преобразования датчика величины линейных участков аппроксимации могут иметь весьма малые значения Величины разностей дополнительных тестовых измерений также оказываются весьма малыми Поэтому тестовые алгоритмы, основанные на кусочно-линейном представлении выходной характеристики датчика, реализующиеся путем нахождения отношения разностей близких между собой чисел, характеризуются значительным (в десятки раз) увеличением случайной составляющей погрешности по сравнению с однотактным преобразованием

В ДМВ с использованием упругого ЧЭ, преобразующего силу, момент, давление и т д в регистрируемое перемещение, внешние ДФ действуют в том числе и на ЧЭ, изменяя его физические характеристики В таких случаях точное измерение перемещения ЧЭ на основе тестовых измерений не позволяет устранить влияние ДФ на результат измерения Для повышения точности и стабильности таких датчиков требовалось разработать комбинированные методы, включающие алгоритмы реализации тестовых методов и преобразования, связанные с обработкой вспомогательных измерений ДФ

В преобразователях, использующих тестовые измерения, существенный вклад в общую погрешность дает методическая составляющая, возникающая в результате отличия функции преобразования (ФП) датчика от используемой математической модели, положенной в основу тестового алгоритма

Перечисленные недостатки без их устранения ограничивают возможности тестовых методов Поэтому развитие теоретических основ тестовых измерений в области контроля механических величин и создание ДМВ, инвариантных к ДФ, на их основе представляет собой важную научную проблему Разработка датчиков, обладающих высокой точностью и стабильностью в жестких условиях эксплуатации, в широком диапазоне изменения измеряемых величин и в течение длительных промежутков времени, является актуальной как для автономных приборов различного принципа действия и назначения, так и для информационно-измерительных и управляющих систем в целом

Целью диссертационной работы является развитие теории тестовых измерений и создание на ее основе ДМВ, инвариантных к воздействию ДФ, обладающих повышенной точностью, стабильностью и увеличенным диапазоном измеряемых величин

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи

1 Анализ математических моделей погрешностей, обусловленных влиянием ДФ на датчики, и существующих методов их коррекции

2 Разработка тестовых алгоритмов повышения точности и стабильности ДМВ на основе дробно-рациональных, степенных и трансцендентных функций (ДРСТФ), использующихся в качестве аппроксимирующих моделей выходных

характеристик датчиков

3 Исследование возможностей использования тестов одного типа аддитивных, мультипликативных или функциональных в датчиках, ФП которых описываются математическими моделями в виде ДРСТФ

4 Создание базы данных типовых ФП ДМВ и соответствующих им алгоритмов реализации тестовых методов

5 Разработка методов бесконтактной установки датчиков на заданном расстоянии от объекта и контроля этого расстояния в автоматическом режиме на протяжении всего цикла измерений

6 Разработка конструкций и схем ДМВ, инвариантных к ДФ, на основе современной элементной базы и микроконтроллеров и их практическое использование как в виде автономных приборов, так и в составе АСУ Экспериментальные и теоретические исследования полученных методов и датчиков

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы дифференциального и интегрального исчислений, аппарат линейной алгебры, численных методов, теория инвариантности, теория вероятностей и теория погрешностей При проведении численных расчетов использовались высокоуровневые методы программирования

Научная новизна работы заключается в развитии теории тестовых измерений применительно к ДМВ, обеспечение инвариантности к ДФ результатов измерений датчиков для повышения их точности, стабильности и расширения диапазона измеряемых величин

1 Впервые разработаны алгоритмы реализации тестовых методов повышения точности и стабильности ДМВ на основе обобщенных математических моделей, использующих ДРСТФ Известные алгоритмы строятся на основе полиномов и кусочно-линейного описания ФП датчиков и требуют наличия обязательно тестов двух типов аддитивных и мультипликативных

2 Показана возможность использования в разработанных алгоритмах тестов одного типа аддитивных, мультипликативных или функциональных для ДМВ, ФП которых описываются ДРСТФ

3 Впервые получены аналитические выражения для определения измеряемой величины ДМВ по результатам тестовых измерений на основе функциональных тестов — физических величин, функционально связанных с измеряемой величиной

4 Разработан новый метод измерений, обеспечивающий работу ДМВ на линейном участке ФП Метод реализуется путем анализа значения второй производной ФП датчика Величина второй производной определяется на основе информации, полученной при тестовых измерениях

5 Предложен новый способ бесконтактной установки ЧЭ датчиков на заданном расстоянии от поверхности исследуемого объекта в автоматическом режиме на протяжении всего времени измерений Способ основан на формировании и обработке разностного и суммарного сигналов с двух измерительных каналов ДМВ Разностный сигнал используется для стабилизации рабочего расстояния, а суммарный — для стабилизации чувствительности датчика

6 Предложен способ температурной коррекции выходной характеристики

ДМВ, новизна которого заключается в комбинации тестовых измерений и впервые реализуемого бесконтактного определения температуры ЧЭ по его проводимости вихретоковым методом

7 Разработаны новые конструкции, структурные схемы и алгоритмы функционирования ДМВ, позволившие повысить их устойчивость к ДФ и расширить диапазон измеряемых величин

Практическая ценность работы.

Предложена совокупность конструктивных, схемотехнических и алгоритмических решений, обеспечивающих создание ДМВ, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям, обладающих расширенным диапазоном изменения измеряемого параметра

Создана база данных, содержащая типовые ФП ДМВ и соответствующие им алгоритмы реализации тестовых методов Разработан измерительно-вычислительный комплекс, программно- аппаратное обеспечение которого позволяет по экспериментально полученным характеристикам преобразователей определять соответствующий им тестовый алгоритм Это существенно сокращает сроки проектирования, уменьшает затраты на экспериментальные исследования датчиков

Разработаны преобразователи перемещений, вибраций, положения и давления, реализующие разработанные методы и теоретические положения, позволяющие повысить устойчивость ДМВ к ДФ, среди которых

— волоконно-оптические датчики перемещений, рабочий диапазон которых расширен в 5 раз по сравнению с аналогичными преобразователями Датчики обеспечивают результат, инвариантный к загрязнению контролируемой поверхности, к изменениям мощности источника излучения и к внешним засветкам,

— электромагнитные датчики перемещений, рабочий диапазон которых увеличен в 3 раза по сравнению с аналогами Результат измерений датчиков инвариантен к воздействию внешних электромагнитных полей,

— волоконно-оптические датчики вибраций, обладающие возможностью бесконтактной установки ЧЭ на заданном расстоянии от исследуемых объектов и контроля этого расстояния в автоматическом режиме на протяжении всего времени измерений Датчики позволяют устанавливать рабочий зазор с точностью 0,01 мм непосредственно в процессе измерения вибраций,

— термокомпенсированные датчики давления на основе использования конструктивно совмещенных волоконно-оптических и вихретоковых каналов измерения, принцип действия которых основан на использовании тестовых измерений и впервые реализуемого бесконтактного определения температуры ЧЭ по его проводимости вихретоковым методом Датчик позволяет зафиксировать погрешность измерений на уровне 1% в условиях высоких температур (до 300°С и выше)

На защиту выносятся:

1 Алгоритмы реализации тестовых методов на основе математических моделей, использующих ДРСТФ и тестов одного вида аддитивных или мультипликативных, позволяющие повысить устойчивость датчиков к ДФ в области измерения механических величин

2 Способ измерения перемещений на основе использования в ДМВ функциональных тестов, позволяющий сохранить высокую точность и стабильность датчиков в условиях ДФ в широком диапазоне изменения измеряемого параметра и в течение длительного времени

3 Метод измерений, обеспечивающий работу ДМВ на линейном участке их ФП Метод реализуется путем анализа значения второй производной ФП датчика Величина второй производной определяется на основе информации, полученной при тестовых измерениях

4 Способ бесконтактной установки ЧЭ датчиков на заданном расстоянии от исследуемых объектов и контроля этого расстояния в автоматическом режиме на протяжении всего времени измерений Он основан на формировании и обработке разностного и суммарного сигналов с двух измерительных каналов ДМВ и позволяет повысить достоверность измерений без проведения дополнительных калибровок

5 Способ температурной коррекции характеристик преобразователей, основанный на бесконтактном измерении температуры ЧЭ по его проводимости

6 Конструкции, структурные схемы и алгоритмы функционирования ДМВ, устойчивых к ДФ, для контроля перемещений, вибраций, положения и давления с широкой областью практических применений

Реализация результатов работы На основе полученных в диссертационной работе теоретических результатов разработаны и внедрены в производство и в учебный процесс технических специальностей вуза ДМВ, устойчивые к ДФ, основанные на бесконтактном оптическом, электромагнитном и вихретоковом взаимодействии с контролируемым объектом и предназначенные для контроля перемещений, вибраций, положения объектов, а также для измерения давлений жидкостей и газов Отличительной особенностью разработанных датчиков является присутствие в них одного или нескольких корректирующих каналов с аналогичной или отличающейся от основного измерительного канала физической природой Созданные аппаратные средства внедрены в стендах "Испытания кузова на изгибную и крутильную жесткость", "Испытания капота, крыши багажника на долговечность"на предприятии ОАО "АВТОВАЗ"(г Тольятти), в системе автоматического контроля и управления установкой правки насосных штанг и в установке для опрессовки труб в ЗАО НИПЦ "НефтеГазСервис"(г Самара), в составе системы позиционирования лазерного микроскопа в НПО "Волна" (г Москва) и в учебный процесс Тольяттинского государственного университета (г Тольятти)

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на первом Всесоюзном совещании-семинаре "Датчики и преобразователи информационно-управляющих систем"(Москва, 1987), Всесоюзной научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства неразрушающего контроля качества промышленной продук-ции"(Саратов, 1991), постоянно действующем научно-техническом семинаре "Современные методы и приборы неразрушающего контроля"(Москва, 1992), Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии и системы"(Пенза, 1994), 1-ой Поволжской научно-технической

конференции "Научно-исследовательские разработки и высокие технологии двойного применения"(Самара, 1995), Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика"(Москва, 1995), Международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития двига-телестроения в Поволжском регионе"(Самара, 1997), Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Генерального конструктора аэрокосмической техники акад Н Д Кузнецова (Самара, 2001, 2006), Международном юбилейном симпозиуме "Актуальные проблемы науки и образования" (Пенза, 2003), VII, VIII, XIY и XYI научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления"(Гурзуф, 1993, 1995, Судак, 2002,

2004), Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций "(Самара, 2005, 2006), Международной научно-технической конференции "Датчики и системы - 2005" (Пенза,

2005) Публикации.

По результатам исследований опубликовано 63 печатных работы, в том числе 1 монография, 1 учебное пособие, 10 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 16 статей в сборниках трудов Получено 14 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений Основное содержание работы изложено на 273 страницах текста, содержит 63 рисунка и 6 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту

В первой главе рассмотрены математические модели погрешностей датчиков, функционирующих в условиях ДФ, и методы их коррекции Сформулирован подход к разработке алгоритмов тестовых измерений на основе ДРСТФ В соответствии с современными метрологическими представлениями, нашедшими отражение в работах Земельмана М А , изменились понятия о систематических и случайных погрешностях измерений Наличие "неисключенного остатка"систематической погрешности после введения в результат измерения поправки говорит о том, что при технических измерениях данная составляющая общей погрешности представляет собой "вырожденную"случайную величину В то же время, случайная погрешность отдельного экземпляра средств измерений включает в себя, помимо погрешности, стохастически изменяющейся во времени, также случайную величину — погрешность, во времени не изме-Ешющуюся, но варьирующуюся от измерения к измерению Поэтому погрешность датчика целесообразно разделить на две составляющие 1) коррелиро-

ванную составляющую, объединяющую систематические, прогрессирующие и относительно медленно изменяющиеся случайные погрешности и 2) некоррелированную составляющую, включающую все некоррелированные случайные погрешности

Методы уменьшения некоррелированной составляющей погрешности измерений основаны на статистической обработке результатов многократных и многоканальных измерений контролируемой величины, использовании цифровой фильтрации, которые в настоящее время являются в достаточной степени исследованными Проведен анализ наиболее эффективных методов уменьшения коррелированной составляющей погрешности измерений методов образцовых мер, итерационных, тестовых, вспомогательных измерений, а также методов, использующих мостовые схемы включения датчиков Показано, что кроме тестовых и методов образцовых мер исключить погрешности всего измерительного тракта не позволяет ни один из вышеперечисленных методов Недостатком метода образцовых мер является необходимость периодического отключения измеряемой величины от входа датчика и подключения образцовых мер, а также большое число образцовых мер при существенной нелинейности ФП датчика Тестовые методы коррекции погрешностей датчиков, разработанные Куликовским К Л и Бромбергом Э М , являются наиболее перспективными, так как позволяют учесть погрешности всего измерительного тракта и не требуют подключения образцовых мер Однако известные тестовые алгоритмы основаны на описании функций преобразования датчиков целой рациональной функцией (полиномом п-ой степени) или на использовании кусочно-линейной аппроксимации выходных характеристик преобразователей и требуют для своей реализации в преобразователях наличия обязательно тестов двух типов аддитивных и мультипликативных Данное обстоятельство не является критичным в области измерения электрических величин, где традиционно используется аппарат тестовых методов Например, умножение такой измеряемой величины как напряжение на постоянный коэффициент, а также получение суммы измеряемого напряжения с опорным не представляет технической сложности При контроле механических величин в отдельно взятом датчике удается сформировать тест только одного типа, что в значительной степени снижает универсальность тестовых методов коррекции

Проведенное исследование показало, что использование тестовых алгоритмов, основанных на кусочно-линейной аппроксимации, применительно к датчикам с нелинейными ФП характеризуется существенным (в десятки раз) увеличением случайной составляющей погрешности даже при работе в узком диапазоне изменения измеряемого параметра, ограниченного допустимой погрешностью аппроксимации На рис 1 а) изображены график нелинейной ФП датчика и отрезок аппроксимирующей ее прямой линии На рис 1 б) приведены типовые зависимости случайной т] и нелинейной 6п составляющих погрешностей датчиков, реализующих тестовые алгоритмы, от величины теста Д, пронормированной относительно диапазона измерения датчика ха Из графиков видно, что рабочий диапазон преобразователя ограничен с одной стороны допустимой величиной случайной погрешности, а с другой — погрешностью от нелинейно-

а) б)

Рис 1. Кусочно-линейная аппроксимация нелинейных характеристик датчиков (а), типовые зависимости случайной т[ и нелинейной ^составляющих погрешностей датчиков от величины Л/Х^ (б)

сти, возрастающей за пределами аппроксимирующего отрезка

Действительно, увеличение случайной составляющей погрешности обусловлено необходимостью вычисления отношений разностей близких между собой чисел при реализации тестовых алгоритмов Значения результатов дополнительных измерений, на основе которых вычисляются текущие значения параметров математической модели ДМВ, зависят от значений используемых тестов, которые, в свою очередь, определяются длиной аппроксимирующего характеристику преобразователя линейного отрезка При попытке выйти за пределы диапазона М (см рис 1) с целью уменьшения случайной погрешности путем увеличения величин тестов наблюдается резкий рост составляющей погрешности от нелинейности ФП датчиков Таким образом, на основе тестовых измерений и кусочно-линейного описания характеристик не удается добиться высокой точности и стабильности датчиков в широком диапазоне изменения измеряемого параметра

Таким образом, использование известных тестовых алгоритмов наряду с компенсацией коррелированной составляющей погрешности измерения приводит к существенному увеличению некоррелированной составляющей (случайной погрешности), которая может возрасти в 20-30 раз по сравнению с одно-тактным (не тестовым) измерением

В качестве одного из путей решения данной проблемы был намечен подход к созданию тестовых алгоритмов повышения точности и стабильности ДМВ на основе обобщенных математических моделей, использующих ДРСТФ, поз-

воляющий разрабатывать датчики, устойчивые к ДФ в широком диапазоне измерений Для разработки инвариантных к ДФ ДМВ на основе ДРСТФ в работе планировалось провести следующие исследования и разработки

— Изучить вопрос о возможности использования в различных тестовых алгоритмах на основе ДРСТФ тестов только одного типа аддитивных или мультипликативных Обоснование осуществимости тестовых алгоритмов на основе тестов одного типа позволяет существенно расширить область применения тестовых методов, а использование описания нелинейных характеристик датчиков с помощью ДРСТФ дает возможность в несколько раз увеличить интервал аппроксимации (отрезок М1 на рис 1)

— Для преобразователей, в которых не удается повысить точность измерений на основе тестов одного типа, исследовать возможность формирования функциональных тестов и способов измерений на их основе

— Провести анализ характеристик большого количества наименований ДМВ и создать базу данных типовых ФП датчиков и соответствующих им тестовых алгоритмов

— Разработать способы бесконтактной установки ЧЭ датчиков на определенном расстоянии от объекта для уменьшения методической составляющей погрешности тестовых измерений

— Разработать методы установки ЧЭ датчиков на заданном расстоянии от объекта контроля, обеспечивающие работу на линейном участке ФП

— Разработать комбинированные методы для компенсации внешних воздействий на ДМВ, принцип действия которых основан на преобразовании измеряемых усилий, давлений, моментов в регистрируемое перемещение

Для снижения влияния ДФ на ДМВ, основываясь на проведенных исследованиях, необходимо реализовать предложенные методы в структурах, конструкциях и электрических схемах обработки сигналов ЧЭ датчиков с применением современной элементной базы и микроконтроллеров

Во второй главе приведены разработанные алгоритмы реализации тестовых методов для ДМВ на основе ДРСТФ и тестов одного типа

Сигнал с датчика, работающего в условиях ДФ, в общем случае можно представить выражением

у = ^(ж,а1(<),а2(<)> ,ап(<)), (1)

где ^ — обобщенная ФП устройства, х — информативный контролируемый параметр, ах(<), а2(£), , — параметры ФП датчика, являющиеся случайными функциями времени, изменяющимися под действием условий окружающей среды, параметров источников питания и тд , а также в результате старения элементной базы преобразователей Для параметров аг(£) (г = 1,2, , п) выполняется соотношение а~ < аг{£) < аг+ (г = 1,2, ,п), где а~, аг+ — известные константы

Тестовые методы повышения точности измерений дают возможность на основе дополнительных преобразований определять текущие значения параметров а,(£), которые затем подставляются в выражение (1) Дополнительные преобразования представляют собой либо п дополнительных тактов измерений, либо реализуются на базе (гг + 1)-каналыюго устройства По найденной

реальной ФП датчика вычисляется значение измеряемой величины х Таким образом, устраняется зависимость результата измерения от ДФ, действующих на датчик Однако все известные тестовые алгоритмы требуют формирования в устройствах обязательно тестов двух типов аддитивных и мультипликативных, что ограничивает область их практического использования измерениями электрических величин

Одна из задач, решенных в работе, состояла в том, чтобы получить алгоритмы реализации тестового метода на основе использования тестов одного типа, преимущественно аддитивных, формирование которых в ДМВ не вызывает трудностей В соответствии с существующей теорией тестовых измерений считается, что ФП любого датчика можно описать целой рациональной функцией (полиномом п-ой степени) или использовать кусочно-линейную аппроксимацию Данный подход, во-первых, не согласуется с многообразием существующих ДМВ Во-вторых, он требует формирования в преобразователях тестов обязательно двух типов аддитивных и мультипликативных, что является сложным или вообще нереализуемым при измерениях механических величин В-третьих, при малых значениях интервалов аппроксимации возрастает в десятки раз случайная составляющая погрешности измерений

В работе впервые получено выражение обобщенного алгоритма реализации тестового метода для подмножества дробно-рациональных функций вида

п

у=£агх1~\ 01,02, ,ап ^ О, (2)

2 = 1

где п > О — целое, х — измеряемая величина, определенная всюду на множестве действительных чисел, аь аг, . ап — коэффициенты преобразования, учитывающие воздействие на датчик ДФ, а также изменение параметров преобразователя с течением времени Полученное выражение представляет собой зависимость у = Р(х), в которой в качестве коэффициентов фигурируют результаты дополнительных тестовых измерений 2/1,2/2, ,Уп и обобщенные тесты А\(х), , Ап(х) измеряемого параметра

Г Аь(х)Ад(х) " , / _^___М,

У 1<д<ь<п \-Лд(х) - Аь(х)\ £ 1 ; Ых) Ад(х)\

*[Л1(ж)Л2(а;) А^^А^х) +

+ п

1<9<ь<п

Аь(х)Ад(х)

+ п

1<д<Ь<п

Ад(х) - Аь(х). Аь(х)Ад(х)

Ад(х) - Аь(х)

^¿(-1 ГЧ*( П

¿=1 \ 1<д<Ь<п

^-пЕ(-1 ),+п%( п

.7 = 1 V 1 <д<Ь<п

1

1

Аь(х) Ад{х). 1 1

+

Аъ{х) Ад{х).

) (3)

Здесь Аь(х), Ад(х) — тесты измеряемой величины х, где 1 < д < Ь < п Результат измерения х, полученный из (3), не зависит от величин коэффициентов <21, <22, ,ап математической модели ФП датчика Таким образом, удается исключить систематические, прогрессирующие и относительно медленно изменяющиеся случайные погрешности из результата измерения Если вместо обобщенных тестов подставить в (3) значения мультипликативных тестов Аг(х) = Кгх, то выражение вырождается в тождество Данный факт говорит о том, что повысить точность измерений ДМВ на основе одних мультипликативных тестов и описания ФП датчиков выражением (2) нельзя При подстановке в (3) аддитивных тестов Аг(х) = х+Дг, измеряемая величина х не сокращается в каждом члене правой части уравнения, как это было в случае использования мультипликативных тестов Таким образом, для датчиков, ФП которых можно описать математической моделью, использующей дробно-рациональные функции, точность измерения можно повысить, используя одни аддитивные тесты, что имеет большое практическое значение для ДМВ

В процессе разработки датчиков на основе тестовых измерений, ограничиваются п-ым членом зависимости, аппроксимирующей выходную характеристику датчика Попытка повышения точности за счет увеличения п приводит к существенному усложнению тестового алгоритма, увеличению количества тестов, требующихся для его практической реализации, и, следовательно, к увеличению составляющей погрешности, связанной с точностью формирования тестов, а также к возрастанию в несколько раз случайной погрешности по сравнению с однотактным измерением В то же время, ФП ряда известных ДМВ со значительно меньшей погрешностью аппроксимации в широком диапазоне измерений можно представить другими математическими моделями Выходная характеристика дифференциального трансформаторного преобразователя перемещений изменяется по закону арктангенса, ФП синусно-косинусных вращающихся трансформаторов описываются тригонометрическими функциями, логарифмических усилителей — логарифмической функцией, выходные характеристики преобразователей абсолютных виброперемещений, виброскоростей — степенными зависимостями, а типовые ФП электромагнитных и емкостных датчиков перемещений — дробно-рациональными функциями

На основе описания ФП ДМВ ДРСТФ получены простые алгоритмы реализации тестовых методов, некоторые из которых приведены в таблице 1 По сравнению с известными алгоритмами на основе полиномов они отличаются уменьшением количества формируемых в датчике тестов Повышение точности измерений датчиков на основе тестовых измерений и ДРСТФ осуществлялось также за счет снижения случайной погрешности Положительным моментом при использовании указанных функций является снижение разрядности АЦП и уменьшение времени измерения при том же уровне случайной погрешности, что и при использовании сложных математических моделей

В таблице приведены результаты проведенных исследований, определяющие возможность (+) или невозможность (—) использования аддитивных или мультипликативных тестов по-отдельности для повышения точности и стабильности ДМВ Как видно из таблицы 1, разработать тестовый алгоритм для ДМВ,

Таблица 1 Аналитические выражения тестовых алгоритмов на основе аппроксимирующих ДРСТФ_

Вид функции преобразования датчика Аддит тесты Мульт тесты Тестовый алгоритм

Дробно-рациональные функции а2 1у = ахЛ--, о2 ф 0 X + _ 1/2 - УЯ

Степенные функции 2 у = ах", афО, п> 0 3 у = а2хп +oi, а1:а2 ф 0, п > 0 4 у = ахк, к = т/п, п ф ±1 5 y = a,2Xk+ai, к = т/п, аи^гфО, п ф ±1 + + + + - У\Хп У~ (х + Д)"' тг ,г , (й-»>)(«"-(яг+ Д)») У (х + Д)" - (х — Д)" ' _ yixm(x + А)" У хп(х + Д)ш ' (2/1 -У2)(хт(х + А)"-У У] х"((х + А)™(х-А)п-—хп(х + А)т)(х — Д)"

-(х- Д)т(ж + Д)") '

Трансцендентные функции а) тригонометрические функции 6 у — а2 cos х + а i, 7 У = 02 sin I + Oi, 8 у = a2tgi + ab 9 у = a2ctg:r + ai, + + + + - . ( 2/1-2/3 , Д"\ х = arctg --—tg— , V 2/2 + 2/з - 22/1 ь2)' , (2у\ — 2/2 — 2/з , А\ х = arctg ctg , V 2/2-2/3 2 у . / 42/2 - 22/1 - 2/3, л\ а; = arctg —-tgA , V 2/з — 2/2 У , / 2/3-2/2 .Л i = arctg tgA , 12/2-22/1+2/3 У

б) показательная функция 1 * ~ (К - 1)1пЬ* 1|1п(2/з - 2/1 )ЬЛ -2/3 + 2/2 2/2-2/1

10 у = а2Ьх + аь Ь > 0, Ьф 1 + +

в) логарифмическая функция 2/1 logn К

11 у = аг\о%ах, а > 0, аф 1 - + х = о 2/2 - 2/1 )

г) гиперболические функции 12 у = 02shi + ai, 13 у = a2chx + ai, 14 у = a2thx + ai, 15 у = a2ctha: + щ, + + + + - ^Arcthf^^cthf), V 2/2-2/3 2 У * .,/ 2/2-2/3 ,,А\ о; = Arcth --—th— , \У2 + 2/3-21/1 2 У х = Arth f2/3-%2 + 2!/lcthAY V 2/з - 2/2 У х-Arth [ 2/3 ~У2 thA^) V2/2 - 22/1 +2/3 у

ФП которых могут быть описаны дробно-рациональными, степенными, тригонометрическими и гиперболическими функциями, удается с помощью одних аддитивных тестов Для ДМВ с логарифмической функцией преобразования только мультипликативные тесты позволяют повысить точность измерений, а аддитивные не дают положительного результата Разработать тестовый алгоритм на основе использования показательной функции удается только в результате совместного применения аддитивных и мультипликативных тестов В связи с тем, что в ДМВ технически сложно сформировать одновременно и аддитивные, и мультипликативные тесты, для датчиков с показательной ФП наиболее удачным техническим решением, позволяющим повысить устойчивость к ДФ, является использование функциональных тестов

Значение функционального теста сложным образом зависит от измеряемой величины х А%{х) = Ь\(ж) Вид зависимости определяется способом формирования тестов в конкретном датчике Анализ преобразователей, использующих тестовые измерения, выявил отсутствие устройств, использующих функциональные тесты, в то время как их применение в ДМВ дает возможность получить тестовые алгоритмы повышения точности в тех случаях, когда их невозможно создать на основе аддитивных или мультипликативных тестов

Разработаны алгоритмы реализации тестового метода, использующие функциональные тесты на основе описания ФП ДМВ показательной, целой рациональной и линейной функциями Известные тестовые алгоритмы, базирующиеся на данных трех типах зависимостей, требуют для своей реализации формирования в устройствах обязательно двух типов тестов аддитивных и мультипликативных Данное условие является сложно реализуемым для ДМВ При использовании функциональных тестов это ограничение снимается

Проведенные в работе исследования показали возможность применения в каждом из разработанных алгоритмов тестов только одного типа и позволили определить, какой из трех типов тестов может быть использован в том или ином случае Разработанные теоретические положения и полученные алгоритмы реализации тестовых методов измерений дают возможность повысить устойчивость ДМВ к ДФ на основе использования в них тестов одного вида аддитивных, мультипликативных или функциональных и описания их ФП ДРСТФ Таким образом, область применения тестовых методов существенно расширена

В третьей главе разработан и обоснован математический аппарат эффективной аппроксимации экспериментальных характеристик ДМВ ДРСТФ Описана созданная база данных типовых ФП ДМВ и соответствующих им алгоритмов реализации тестовых методов

При проектировании ДМВ на основе тестовых измерений возникает задача адекватного математического описания их ФП Это связано с многообразием существующих средств измерения механических величин Удачный выбор вида зависимости, аппроксимирующей ФП ДМВ, обеспечивающей высокую точность при малом количестве членов, приводит к существенному упрощению тестового алгоритма, уменьшению тактов или каналов измерения и количества формируемых в датчике тестов

Решению поставленной задачи способствовал разработанный ИВК К функциям, непосредственно выполняемым ИВК, относятся 1) формирование напряжений и токов заданной формы и частоты для питания ДМВ, 2) сбор информации с датчиков, 3) обработка измерительной информации, 4) проверка качества аппроксимации

ИВК может работать в двух режимах 1) проведения эксперимента и непосредственной обработки измерительной информации, 2) обработки информации, полученной ранее, из файла с диска или с внешнего носителя Наличие двух режимов расширяет возможности ИВК, позволяет решать задачи аппроксимации ФП ДМВ как при непосредственном контакте датчика с аппаратурой ИВК, так и путем обработки данных, полученных на других аппаратных средствах и на любом удалении от ИВК В связи с большим разнообразием исследуемых датчиков, одной из главных целей, преследовавшихся при разработке комплекса, было добиться его универсальности ДМВ различной физической природы запитываются как постоянным напряжением в диапазоне от 3,3 до 27 В, так и импульсным, и переменным токами различной амплитуды и частоты Программное обеспечение ИВК позволило установить для экспериментально полученных ФП вид аппроксимирующих зависимостей из числа целых рациональных и ДРСТФ С помощью ИВК была решена задача выбора на экспериментально полученной характеристике датчика рабочей области тестового метода, в которой размещаются измеряемая величина и ее комбинации с тестами В качестве критерия оптимальной аппроксимации использовался минимум интегральной среднеквадратичной ошибки в заданном диапазоне изменения переменной х и параметров аг ФП Рабочая область для конкретного датчика выбиралась максимально возможной, исходя из допустимых значений погрешности аппроксимации и степени увеличения случайной погрешности измерений Анализ характеристик более тридцати наименований номенклатуры ДМВ показал, что описание ФП датчиков нелинейными моделями и проектирование преобразователей на их основе позволяет существенно, в 5 - 10 раз расширить рабочий диапазон ДМВ при том же уровне допустимой погрешности аппроксимации, что и для линейной модели На основе проведенных с помощью ИВК исследований создана база данных типовых ФП ДМВ и соответствующих им алгоритмов реализации тестовых методов База данных включает в себя более 30 различных функций и алгоритмов Разработанное программное обеспечение позволяет по экспериментально полученным характеристикам ДМВ определять оптимальные тестовый алгоритм и рабочую область тестового метода, что существенно сокращает сроки проектирования ДМВ

Четвертая глава посвящена новым ДМВ на основе тестовых измерений и одного типа тестов Такие датчики, работая в жестких эксплуатационных условиях, обеспечивают результат, инвариантный к ДФ, которые могут изменяться в широком диапазоне непредсказуемым образом Предложенные в диссертационной работе подходы к построению ДМВ, инвариантных к ДФ, реализованы в преобразователях различной физической природы с целью продемонстрировать универсальность разработанных методов и алгоритмов

На рис 2 приведены конструкции и структурные схемы электромагнитно-

а)

б)

Рис 2 Конструкции и структурные схемы датчиков перемещений на основе тестовых измерений, одного типа тестов и нелинейных функций в качестве математических моделей ФП датчиков а) электромагнитных, б) волоконно-оптических

го (а) и волоконно-оптического (б) датчиков перемещений, разработанных на основе использования аддитивных тестов и описания их ФП ДРСТФ В электромагнитном датчике выполняется алгоритм 1 тестовых измерений из табл 1, в волоконно-оптическом — следующий алгоритм реализации тестового метода

г = 112 ~ 2Ш + А (4)

Зг/1 -2/2-З2/3 + 2/4

Здесь г/1,2/г, 2/з и у4 — сигналы с фотоприемников 8 — 11 (рис 2, б) основного и дополнительных каналов для тестовых измерений, г — измеряемое перемещение Тесты вводятся на уровне ЧЭ датчиков следующим образом В электромагнитном датчике дополнительные магнитопроводы 4 и 5 сдвинуты (либо соответственно конструктивно укорочены и удлинены) относительно основного магнитопровода 3 на некоторое фиксированное расстояние Д, не изменяющееся в процессе измерений, которое участвует в формировании аддитивного теста измеряемого перемещения По результатам основного и дополнительных тестовых измерений в блоках электроники 12 — 17 определяется величина измеряемого перемещения с учетом текущих значений параметров аг математической модели Аналогичный подход реализован в волоконно-оптическом датчике перемещений Здесь аддитивные тесты формируются путем фиксированного сдвига дополнительных приемных жгутов волокон относительно основного жгута в направлении к исследуемой поверхности или от нее Может использоваться коаксиальное расположение излучающего и приемных жгутов светово-

а) б)

Рис 3 Волоконно-оптический датчик перемещений на основе функциональных тестов а) структурная схема, б) геометрическая интерпретация прохождения света через комбинированную пластину

дов Обработка полученных сигналов с фотоприемников 9 — 11 с отстройкой от текущих параметров математической модели осуществляется в блоках электроники 12 — 19

Как показали экспериментальные исследования, диапазон измеряемых линейных перемещений разработанных ДМВ расширен в 5 раз по сравнению с известными аналогами Погрешность измерения перемещений для электромагнитного датчика не превышает допустимого значения при воздействии внешних электромагнитных полей с индукцией до 90 мТ Результат измерения волоконно-оптического преобразователя, как видно из формулы (4), инвариантен к изменениям мощности источника излучения и коэффициента отражения контролируемой поверхности В работе показано, что получение алгоритма реализации тестового метода на основе показательной зависимости требует либо формирования в устройствах тестов двух типов аддитивных и мультипликативных, либо применения функциональных тестов Рис 3 иллюстрирует способ измерения перемещений на основе описания ФП датчика показательной функцией и использования функциональных тестов На рис 3 а) приведена структурная схема волоконно-оптического датчика перемещений, на базе которого реализован разработанный способ, на рис 3 б) схематически отображен путь луча света через пластину Проводятся три такта измерения, в каждом из которых свет пропускают через прозрачные и полупрозрачные пластины 9 и 10, размещенные между торцом волоконно-оптического жгута и объектом контроля Сигнал с выхода фотоприемника в каждом из трех тактов будет равен

2/1 = Яо + Я\Р]КЛпехр[-21'ф1}, (5)

У2 = 9о + д\Р}К(1пехр[-{Ь'ф1 + Ь-ф2)], (6)

2/з = 9о + Я\Р}К<1пехр{-2Ьг1)2] (7)

Здесь до, 91 — коэффициенты преобразования, отражающие воздействие ДФ на датчик, Р/ — мощность света на выходе излучающего жгута волоконных световодов 2, Кд-п — коэффициент, учитывающий диаграмму направленности жгута 2, отражение света от поверхности 4 и т д Ь — длина пути луча света в пластине, ф\, 1р2 ~ коэффициенты поглощения света в материалах прозрачной и полупрозрачной пластин, соответственно Используя (5), (6) и (7), находят величину

ь = (М(2/з - У2)/(У2 - У1)]/(Ф1 - гЬ) (8)

Измеряемое расстояние г, исходя из геометрических соображений (см рис 3, б), можно представить следующей формулой

+ — ( . * -1)М1-пп2)+пА2, (9)

пп у]Ь2 -й„2 п

где Ь находится в соответствии с выражением (8), пп — коэффициент преломления света на границе воздух - пластина, с1п — толщина пластины, к — расстояние между центрами торцов жгутов волоконных световодов 2 и 5 Величина Ь зависит сложным образом от измеряемого расстояния г (9) и является функциональным тестом г Результат измерения г, как видно из выражений (8) и (9), не зависит от величин до, 91, -Р/, К<1п Вычисления по формулам (5) — (9) осуществляются в блоках 13 — 20 (см рис 3, а) По сравнению с известными датчиками рассмотренный новый способ измерений позволяет исключить влияние на результат измерений коэффициента отражения контролируемой поверхности, мощности источника излучения, внешних засветок и параметров фотоприемника Диапазон изменения измеряемого параметра расширен в 5 раз по сравнению с однотактными волоконно-оптическими датчиками перемещений и составляет 10 мм

В работе предложены меры, способствующие повышению эффективности тестового метода Они сочетают в себе реализацию тестовых измерений и мероприятия, направленные на гарантированную установку ЧЭ датчиков на заданном расстоянии от объекта контроля, соответствующем определенным точкам их ФП Все эти меры направлены на уменьшение методической погрешности, возникающей в результате несоответствия характеристики датчика виду математической модели, положенной в основу работы тестового алгоритма

Предложен новый метод измерений, обеспечивающий работу ДМВ на линейном участке ФП. Метод реализуется путем анализа значения второй производной ФП датчика Величина второй производной определяется на основе информации, полученной при тестовых измерениях, методом конечных разностей Пусть 11\ = /(ж) — напряжение, снимаемого с ЧЭ преобразователя в некоторой, расположенной на его характеристике и произвольно взятой точке х, I]-! = /(ж + А), = /(х — Д) — величины напряжений, снимаемых с ЧЭ преобразователя в точках г + Диж-Д(Д^0), расположенных в окрестности точки х. Суть метода заключается в том, что в устройствах, его реализующих, определяют значение сигнала 5 = 1/2 + из — 211\, величина которого пропорцио-

а) б)

Рис 4 Графики зависимостей выходных сигналов с двух измерительных каналов (а) и сигнала в [ = и2 - и 1 (б) от величины измеряемого параметра г

нальна значению второй производной функции и = /(ж), описывающей характеристику датчика Сравнение с нулем значения 5 дает возможность определить, на каком участке характеристики находится ЧЭ датчика Если 5 > 0, он расположен на вогнутом участке характеристики, в случае 5 < 0 — на выпуклом ЧЭ преобразователя перемещают в нужном направлении до попадания в точку перегиба функции преобразования при выполнении равенства 5 = О В разработанных ДМВ величины £/ь С/2 и С/з формировались в дополнительных каналах измерения датчика или путем организации нескольких циклов измерения Метод позволяет в автоматическом режиме удерживать ЧЭ датчика на заданном расстоянии от объекта контроля, которое соответствует линейному участку его ФП в течение всего времени измерений

Предложен новый способ бесконтактной установки ЧЭ датчиков на заданном расстоянии от поверхностей исследуемых объектов в автоматическом режиме на протяжении всего времени измерений Гарантированная установка ЧЭ датчика в рабочую точку при идентичности и симметричности характеристик каналов измерения позволяет устранить нелинейность и смещение ФП датчиков Применение тестового метода в ДМВ после установки ЧЭ датчика в рабочую точку дает возможность добиться инвариантности результатов измерений к ДФ

Приведен пример реализации способа бесконтактной установки на базе волоконно-оптического измерителя вибраций (ВОИВ), который содержит два канала измерения, неравноудаленных от контролируемой поверхности Характеристики каналов V\ = /1(2) и £/2 = /2(2), которые в общем случае могут быть неидентичными, представлены на рис 4 а) 11\, С/г — сигналы с выходов двух измерительных каналов, г — величина расстояния до контролируемого объекта, относительно которого устанавливается датчик Согласно способу бесконтактной установки в датчике формируют сигнал = {¡2 — и. сравнивают

значение данного сигнала с нулем Зависимость Si = f(z) приведена на рис 4 б) Как видно из рисунка, при z < zq величина S\ < 0, а при z > zq величина S\ > 0, где zq — абсцисса точки пересечения зависимостей U\ = }\{z) и U2 = h{z) Измерение контролируемого параметра проводят при установочном зазоре z = zq Для этого при Si < 0 зазор между комбинированным датчиком и контролируемым объектом увеличивают, а при Si > 0 — уменьшают до получения Si = 0 Можно выполнять установку и контроль рабочего расстояния при вибрирующей поверхности В этом случае добиваются выполнения соотношения Slav = 0, где Siav ~ низкочастотная составляющая сигнала S\

Наличие выработанных четких закономерностей, хорошо реализующихся на аппаратном уровне, позволяет устанавливать датчик в требуемую точку в автоматическом режиме непосредственно в процессе измерений, а в случае возникновения отклонений от рабочего расстояния — приводить преобразователь в исходное положение относительно контролируемого объекта Найдены условия обеспечения работоспособности способа Это одновременное выполнение следующих требований а.2 ф 62, ф 0, £>2 ф 0 Здесь аг, ¿>2 — пара-

метры линейных моделей, аппроксимирующих ФП измерительных каналов в окрестности точки их пересечения Для достижения минимальной погрешности позиционирования параметры а^ и ¿>2 должны иметь разные знаки и как можно большие значения

В ВОИВ формировался также суммарный сигнал с двух измерительных каналов S2 = Ui + U2 В установившемся режиме низкочастотная составляющая сигнала 52 поддерживалась на постоянном уровне, за счет чего стабилизировалась чувствительность ВОИВ к вибрации при неизменном рабочем расстоянии В процессе измерения вибрации из сигнала Si выделялась высокочастотная составляющая по амплитуде которой определяли амплитуду колебаний

контролируемой поверхности

В отличие от известных аналогов ВОИВ позволяет устанавливать и контролировать рабочее расстояние между ЧЭ и исследуемым объектом с точностью 0,01 мм непосредственно в процессе измерения вибраций и вне зависимости от изменений мощности источника излучения и коэффициента отражения поверхности контролируемого объекта Чувствительность к вибрации поддерживается постоянной в рабочей точке ВОИВ дает возможность устанавливать и контролировать рабочий зазор и в случае использования двух датчиков различной физической природы, выполненных в виде единой конструкции

Большой класс ДМВ составляют датчики, преобразующие силу, момент, давление и тд в регистрируемое перемещение посредством упругого ЧЭ, на который также действуют внешние ДФ, в частности, температурные воздействия В таких случаях точное измерение перемещения ЧЭ не позволяет устранить влияние ДФ на результат измерения Именно для таких датчиков разработаны комбинированные методы, основанные на тестовых и вспомогательных измерениях

Предложен способ температурной коррекции выходной характеристики преобразователей, основанный на тестовых измерениях и впервые реализуемом бесконтактном измерении температуры ЧЭ по его проводимости вихретоко-

п

а

ш

1/0

4 7

к генератору —синусоидального тока кисточнику излучения и фотоприемникам к преобразователю параметров ВТП

Рис 5 Термокомпенсированный датчик давления

вым методом Термокомпенсированный датчик давления (ТДД) с волоконно-оптическими и вихретоковым каналами измерения изображен на рис 5

ТДД содержит гибкий ЧЭ в виде мембраны 1, закрепленный по контуру внутри обоймы 2 корпуса датчика В обойме 2 помещены приемо-передающий волоконный жгут 3, состоящий из излучающего и двух приемных жгутов волоконных световодов, соединенных, соответственно, с источником излучения и двумя фотоприемниками Соосно с приемо-передающим жгутом установлен вихретоковый преобразователь (ВТП) 4 в каркасе 5, содержащий первичную б и вторичную 7 обмотки, подключенные, соответственно, к генератору синусоидального тока и преобразователю параметров ВТП

В нормальных условиях величины сигналов с фотоприемников пропорциональны прогибу мембраны датчика, который вызывается измеряемым давлением Прогиб мембраны, в свою очередь, зависит от измеряемого давления р При повышении температуры за счет изменения модуля упругости Ег материала мембраны возникает неучтенный дополнительный прогиб ЧЭ Искомое давление определяется по следующей формуле

„ _ Ш3Е0( 1 + ВЕЩг

Р~ ЗД4(1 - /л2) ' ^

где к, Я — толщина и радиус ЧЭ ТДД, Ео — модуль упругости материала ЧЭ при нормальной температуре £о, Ве — температурный коэффициент модуля упругости материала ЧЭ, Д£ — разность температур, £ — ¿о, М ~~ коэффициент Пуассона Для ЧЭ, выполненных из мягкой стали и бронзы, при нагреве на каждые 100°С значение погрешности при определении давления р увеличивается на 1,25 % Зависимость температуры нагретого металла от его удельной электрической проводимости сг< выражается известной формулой £ = ¿(^ — 1), о: — линейный температурный коэффициент сопротивления, оо — проводимость металла при 0°С Измерив величину проводимости сг( при температуре £, можно вычислить температуру нагретого ЧЭ Для бесконтактного

определения температуры мембраны ТДД по ее проводимости был использован малогабаритный ВТП, выходной сигнал которого зависит от обобщенного параметра /3 = И^у/шафо, который в свою очередь зависит от сг; Здесь Иех1 — радиус наружной обмотки ВТП, и) — круговая частота тока возбуждения ВТП, /хо = 47г1СГ7 Гн/м Значение подставленное в формулу (10), позволяет скорректировать измеряемое давление с учетом температуры среды, контактирующей с мембраной ТДД

Предложенный ТДД позволяет повысить точность измерений по сравнению с известными аналогами за счет исключения погрешностей, возникающих при изменении температуры среды, давление которой измеряется Он дает возможность определять не только давление, по и температуру контактирующих с мембраной датчика газа, жидкости или насыщенных паров топлив и, тем самым, расширить функциональные возможности ТДД

В данном разделе рассматриваются также преобразователи перемещений, вибраций, положения и давления, реализующие разработанные методы и теоретические положения Они основаны на описании характеристик ДМВ ДРСТФ и используют тесты только одного вида аддитивные или функциональные и корректирующие каналы измерения с такой же или с отличной от основного канала физической природой Результаты измерений разработанных ДМВ не зависят от параметров ФП датчиков Диапазон измерений ДМВ в результате использования в них алгоритмов реализации тестового метода, основанных на описании нелинейных ФП ДРСТФ расширен в 5 — 10 раз по сравнению с датчиками на основе кусочно-линейной аппроксимации

В пятой главе рассмотрены конструктивно-технологические особенности разработанных ДМВ на основе тестовых измерений Приводится анализ эффективности разработанных способов измерений и реализующих их датчиков Получены аналитические выражения для оценки погрешностей тестовых ДМВ на основе описания их ФП ДРСТФ

Тестовые методы повышения точности и стабильности дают возможность существенно уменьшить коррелированную составляющую погрешности измерений Однако, некоррелированная (случайная) составляющая погрешности при реализации тестовых алгоритмов в датчиках не подавляется, а усиливается, в некоторых случаях весьма значительно Как видно из рис 1 б), в алгоритмах, основанных на кусочно-линейном описании ФП датчиков, случайная составляющая г/ погрешности измерений возрастает более чем в 20 раз по сравнению с аналогичной погрешностью, возникающей при однотактном (не тестовом) измерении и малых величинах тестов (до 0,2 от интервала аппроксимации ФП ДМВ) Найдены аналитические выражения, описывающие зависимость величины 77 от величин тестов для алгоритмов, основанных на ДРСТФ представлении ФП ДМВ Ниже приведены выражения для г), полученные при описании ФП ДМВ дробно-рациональной и степенной функциями

(П)

Рис 6 Типовые зависимости а) некоррелированных составляющих погрешностей тестовых алгоритмов при использовании кусочно-линейной (1), степенной (2) и дробно-рациональной (3) аппроксимирующих функций, б) погрешностей формирования тестов 5( для алгоритмов на основе двух типов тестов (1), одного типа тестов (2)

Vs

х + А х(х2 + 4Аж + 2Д2)^2

Gaís + A)) (12)

^ \2(2х + Д) ' Д(2а; + Д)2 ) \2А{х + А),

Данные формулы позволяют для любой точки диапазона измерения определить степень увеличения случайной составляющей погрешности в зависимости от относительных величин аддитивных тестов A/x¿ для алгоритмов 1 и 2 из табл 1 Здесь x¿ — диапазон изменения измеряемой величины Аналогичные формулы были получены для всех разработанных алгоритмов реализации тестового метода Графики типовых зависимостей отношений т] случайных составляющих погрешностей тестовых измерений к аналогичной составляющей погрешности однотактного измерения при кусочно-линейном (кривая 1), степенном (2) и дробно-рациональном (3) описании ФП датчиков приведены на рис 6 а) Из графиков видно, что при использовании кусочно-линейной аппроксимации наблюдается увеличение случайной составляющей погрешности тестового измерения по сравнению с однотактным в 14 раз в диапазоне (0,17 — 1) A/x¿, в 15 — 25 раз в диапазоне (0,05 — 0,17) A¡x¿ В области малых значений A/xd (менее 0,05) величина т] превышает 25 В то же время случайная составляющая погрешности при описании ФП датчика степенной функцией возрастает не более чем в 1,1 раза в диапазоне (0,1 — 1) A/x¿, при использовании дробно-рациональной функции — в 1,1 - 1,5 раза во всем диапазоне A/x¿ Для других рассматриваемых в работе аппроксимирующих функций значение r¡ не превышало 2 по всему диапазону A/x¿ Таким образом, можно говорить о существенном снижении случайной погрешности тестовых измерений при ДРСТФ подходе по сравнению с кусочио-линейной аппроксимацией ФП ДМВ

Другой важной составляющей погрешности является погрешность формирования тестов Af Расчетные формулы для относительных погрешностей Sf,

полученные из выражений 1 и 2 из табл 1 для определения измеряемой величины на основе тестовых измерений, дробно-рационального и степенного описания ФП ДМВ приведены ниже

Здесь Дд — абсолютная погрешность, обусловленная отличием действительных значений аддитивных тестов от соответствующих номинальных значений Были проанализированы полученные выражения для относительных погрешностей 6/ для известных тестовых алгоритмов на основе двух типов тестов и для разработанных на основе одного типа тестов На рис 6 б) приведены графики типовых зависимостей 6/ = /(Д) (кривая 1), 8; ¿г = /(А) ( кривая 2) и 5; а = /(Д) (кривая 3) для величины Дд, имеющей значение 1% 6/ = /(Д) представляет собой известную зависимость относительной погрешности формирования тестов для алгоритмов на основе двух типов тестов Из графиков видно, что для тестовых алгоритмов на основе описания ФП ДМВ дробно-рациональной функцией относительная погрешность формирования тестов в диапазоне Д/ж^ > 0, 2 не превышает значения 0,5%, одноименная погрешность для алгоритмов на основе описания ФП датчиков степенной зависимостью не превосходит по модулю 0,3% во всем диапазоне изменения Д/ж<г Как показали исследования погрешностей формирования тестов для остальных разработанных алгоритмов на основе описания ФП ДМВ ДРСТФ, уровень этой погрешности не превышает 1%

Величины тестов непосредственно связаны с интервалами аппроксимации Поэтому в работе определялось необходимое количество интервалов аппроксимации и средняя длина аппроксимирующего участка для широко распространенного случая кусочно-линейного описания ФП ДМВ, а также для используемого в работе кусочно-нелинейного на основе ДРСТФ

Расчеты показали, что необходимое количество интервалов аппроксимации для случая кусочно-линейного описания ФП ДМВ в диапазоне измерений от 10 мкм до 2 мм для существенно нелинейной функции составит не менее 29 участков при погрешности от нелинейности 1 %, а при погрешности 3 % — не менее 16 линейных участков Средняя длина линейного участка составляет 0,1 мм Величины используемых тестов должны укладываться в полученное для интервала аппроксимации значение Столь малые значения тестов при реализации тестовых алгоритмов приводят к усилению в десятки раз быстропере-менных случайных погрешностей При описании ДРСТФ ФП ДМВ средняя длина интервала аппроксимации увеличивается в 5 — 10 раз в зависимости от значения допустимой погрешности

Таким образом, в ДМВ на основе тестовых измерений, ДРСТФ и одного типа тестов существенно уменьшены погрешности формирования тестов и в десятки раз снижена некоррелированная (случайная) погрешность измерений по сравнению с известными аналогами На основании достигнутых результатов был сделан вывод о высокой эффективности разработанных алгоритмов реализации тестовых методов Полученные расчетные значения подтверждены

и крутильную жесткость"

экспериментальными исследованиями, проведенными на ИВК для тридцати наименований номенклатуры ДМВ

В шестой главе рассмотрены примеры практического применения ДМВ, инвариантных к ДФ

Волоконно-оптические измерители вибрации (ВОИВ) нашли практическое применение как в виде автономных приборов, так и в составе АСУ ВОИВ 9802 используются в стенде "Испытания кузова на изгибную и крутильную жесткость" Одним из параметров, контролируемых в процессе испытаний, являлась вибрация элементов кузова, для диагностики которой в разных точках кузова были установлены датчики ВОИВ Фрагмент АСУ стенда с ВОИВ, терминальной панелью 2, платой 3 сбора данных, управляющим ПК 4 и фрагментом кузова 5 приведен на рис 7 Каждый ВОИВ установлен на элементе подачи 6, жестко связанном с преобразователем 7 вращения электродвигателя 8 в поступательное движение В качестве такого преобразователя может использоваться, например, червячная передача, а в качестве двигателя — шаговый электродвигатель Выходной сигнал ВОИВ через устройство согласования 9, преобразующее напряжения с выходов фотоприемников (установлены на плате устройства согласования), соединенных со жгутами приемных световодов, до уровня входного сигнала АЦП, подается на комбинированную терминальную панель 2, а с нее — на плату сбора данных

В ВОИВ предусмотрена возможность автоматической установки рабочего расстояния между торцом волоконно-оптического жгута и поверхностью контролируемого объекта непосредственно в процессе измерений, вне зависимости от изменений мощности источника излучения, отражающих свойств поверхности и внешних засветок, а также поддержания на постоянном уровне чувствительности к вибрации при заданном установочном зазоре Ослаблено действие на ВОИВ таких ДФ, как запыленность среды между торцом волоконно-оптического жгута и объектом контроля, наличие внешних засветок, загрязнение поверхности вибрирующего объекта и изменения мощности источника

излучения

Двухканальный волоконно-оптический датчик положения (ВОДП 9103) использовался в системе позиционирования лазерного микроскопа ЛСМ В ВОДП формирование разностного сигнала с двух каналов измерения производилось путем вычитания самих токов фотодиодов, поверхность контролируемого объекта освещалась модулированным светом с помощью полупроводникового лазера, длительность импульса лазера выбиралась кратной 1/50Гц=20мс Включение фотодиодов навстречу друг другу позволило произвести вычитание токов фотодиодов до их преобразования в напряжение Освещение контролируемой поверхности модулированным светом дало возможность отказаться от измерения постоянной составляющей сигналов фотодиодов, Выбор длительности импульса лазера кратной 1/50Гц—20мс позволил полностью подавить наводку, действующую с частотой 50 Гц и проникающую как в виде пульсаций света от ламп накаливания, так и в виде электромагнитной помехи

Электромагнитные ЭДП 01 и волоконно-оптический ВОДП 0504 датчики перемещений использовались в АСУ стенда "Испытания капота, крыши багажника на долговечность" Применение тестовых алгоритмов на основе ДРСТФ и одного типа тестов позволили существенно, в 10 раз уменьшить случайную погрешность измерений В процессе проведения испытаний была зарегистрирована индукция электромагнитного поля на уровне 90 мТ При этом погрешность измерений ЭДП осталась прежней (1 %)

Термокомпенсированный датчик давления ТДД 01В (рис 5) нашел применение в АСУ установкой правки штанг (УПШ), которая предназначена для правки растяжением новых и бывших в эксплуатации насосных штанг ТДД 01В использовался для измерения давления в гидромагистрали Он установлен на насосной станции для подачи сигнала на промышленный компьютер, входящий в состав АСУ УПШ с целью определения усилия вытяжки штанги Сигналы с двух датчиков — давления и перемещения обрабатываются в компьютере и дают информацию о давлении в гидромагистрали и удлинении штанги в процессе правки

Таким образом, разработанные ТДД показали хорошую термостабильность По сравнению с серийно выпускаемыми датчиками Метран-100, Сапфир-22, предназначенных для работы в температурном диапазоне, верхняя граница которого достигает максимум 80°С, созданные ТДД обеспечивают погрешность на уровне 0,5% при температурах рабочих сред до 300°С

Результаты испытаний разработанных ДМВ показали следующее Стабильный уровень погрешности 1-2 % во всем диапазоне измерений волоконно-оптических датчиков сохранялся даже при уменьшении мощности источника излучения на 50 % относительно номинального значения (путем управления током через светодиод), изменениях коэффициента отражения контролируемых объектов от 0,3 до 1 и при наличии внешних источников излучения Неизменный уровень погрешности (1 %) показали ЭДП в процессе испытаний в электромагнитном поле с индукцией до 90 мТ Неоспоримым достоинством всех разработанных датчиков является их низкая себестоимость

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1 Анализ математических моделей погрешностей, обусловленных влиянием ДФ на датчики, показал, что наиболее перспективными методами коррекции коррелированных составляющих погрешностей измерений датчиков являются тестовые Выявлены ограничения тестовых методов в области измерения механических величин увеличение некоррелированной составляющей погрешности в 20-30 раз по сравнению с однотактным (не тестовым) измерением и необходимость использования в известных тестовых алгоритмах на основе полиномов и кусочно-линейного описания ФП датчиков обязательно тестов двух типов аддитивных и мультипликативных Два типа тестов конструктивно сложно сформировать в большинстве ДМВ

2 Разработаны новые алгоритмы реализации тестовых методов на основе обобщенных математических моделей, использующих ДРСТФ Показана возможность использования тестов одного типа аддитивных, мультипликативных или функциональных для ДМВ, ФП которых описываются ДРСТФ По сравнению с известными разработанные алгоритмы обеспечивают уменьшение в 12 — 15 раз некоррелированной составляющей погрешности тестовых измерений и уменьшение погрешности формирования тестов на 20% в среднем по диапазону Возможность использования одного типа тестов снимает конструктивные ограничения в реализации тестовых методов для ДМВ

3 Впервые предложен способ измерения перемещений на основе использования в ДМВ функциональных тестов, позволяющий сохранить высокую точность и стабильность датчиков в условиях ДФ в широком диапазоне изменения измеряемого параметра в течение длительного времени

4 Создана база данных, содержащая типовые ФП ДМВ и соответствующие им алгоритмы реализации тестовых методов Разработан измерительно-вычислительный комплекс, программно- аппаратное обеспечение которого позволяет по экспериментально полученным характеристикам преобразователей определять соответствующий им тестовый алгоритм Это существенно сокращает сроки проектирования, уменьшает затраты на экспериментальные исследования датчиков

5 Разработан метод измерений, обеспечивающий работу ДМВ на линейных участках их ФП Метод реализуется путем анализа значения второй производной ФП датчика на основе информации, полученной при тестовых измерениях Установка ЧЭ преобразователя осуществляется непосредственно в процессе измерений

6 Предложен способ бесконтактной установки ЧЭ датчиков на заданном расстоянии от поверхностей исследуемых объектов в автоматическом режиме на протяжении всего времени измерений Способ основан на формировании и обработке разностного и суммарного сигналов с двух измерительных каналов ДМВ Разностный сигнал используется для стабилизации рабочего расстояния, а суммарный — для стабилизации чувствительности датчика Погрешность установки составляет 0,1 % и не изменяется в течение всего времени контроля Гарантированная установка ЧЭ ДМВ на заданном расстоянии от ис-

следуемого объекта, соответствующем определенной точке его ФП, позволяет свести к минимуму методическую составляющую погрешности, возникающую при несовпадении ФП датчика с используемой математической моделью

7 Предложен способ температурной коррекции выходной характеристики преобразователей, основанный на тестовых измерениях и впервые реализуемом бесконтактном определении температуры ЧЭ по его проводимости вихретоко-вым методом Способ позволяет поддерживать заданные точность и стабильность в условиях повышенных температур

8 На основе использования тестов одного типа и ДРСТФ в качестве математических моделей выходных характеристик преобразователей разработана совокупность конструктивных, схемотехнических и алгоритмических решений, обеспечивающих создание ДМВ, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям и к их изменению со временем, обладающих расширенным диапазоном изменения измеряемого параметра

Созданы преобразователи перемещений, вибраций, положения и давления, реализующие разработанные методы и теоретические положения, позволяющие повысить устойчивость ДМВ к ДФ, среди них

— волоконно-оптические датчики перемещений, рабочий диапазон которых в 5 раз расширен по сравнению с аналогичными преобразователями Датчики обеспечивают результат, инвариантный к загрязнению контролируемой поверхности, к изменениям мощности источника излучения и к внешним засветкам

— электромагнитные датчики перемещений, рабочий диапазон которых увеличен в 3 раза по сравнению с аналогами Результат измерений датчиков инвариантен к воздействию внешних электромагнитных полей Неизменный уровень погрешности (1 %) показали ЭДП в процессе испытаний в электромагнитном поле с индукцией 90 мТ,

— волоконно-оптические датчики вибраций, обладающие возможностью бесконтактной установки ЧЭ на заданном расстоянии от исследуемых объектов и контроля этого расстояния в автоматическом режиме на протяжении всего времени измерений Датчики позволяют устанавливать рабочий зазор с точностью 0,01 мм непосредственно в процессе измерения вибраций,

— термокомпенсированный датчик давления на основе использования конструктивно совмещенных волоконно-оптических и вихретокового каналов измерения Использование двух волоконно-оптических каналов обеспечивает инвариантность результата измерений к вариациям мощности источника излучения и к изменениям отражающих свойств упругой мембраны Вихретоковый канал дает возможность компенсировать температурное воздействие Датчик позволяет определять не только давление, но и температуры контактирующих с мембраной датчика рабочих сред Кроме того, будучи выполненным в специальном термостойком исполнении, ТДД дают возможность расширить рабочий диапазон температур до 300°С при дополнительной погрешности измерений не превышающей 0,5%, что превосходит характеристики серийно выпускаемых в настоящее время датчиков

9 Большинство из предлагаемых ДМВ изготовлено в виде экспериментальных образцов и испытано на стендах Проведенные испытания показали пре-

имущества разработанных ДМВ перед аналогами по ряду их эксплуатационных, метрологических и стоимостных показателей

Разработанные датчики и реализованные в них алгоритмы и методы внедрены в испытательных стендах, на производстве, в ряде инженерных фирм Отдельные результаты работы использованы в учебном процессе в техническом вузе

Таким образом, достигнута поставленная цель и решены задачи, связанные с совершенствованием обширного класса датчиков механических величин на основе развития теории тестовых измерений

Список публикаций по теме диссертации включает 63 наименования Основное содержание диссертации отражено в следующих работах

Книги-

1 Лиманова Н И Инвариантные к дестабилизирующим факторам датчики и их моделирование средствами информационных технологий - М НА-УЧТЕХЛИТИЗДАТ, 2005 - 140 с

2 Лиманова Н И Магнитооптические преобразователи перемещений Учеб пособие - Самара СГАУ, 2003 - 120 с

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

3 Лиманова Н И Инвариантный к воздействию дестабилизирующих факторов волоконно-оптический датчик // Приборы и системы Управление, контроль, диагностика - 2000 - N 5 - С 55-57

4 Лиманова Н И Тестовый метод повышения точности измерений датчиков с нелинейными дробно-рациональными функциями преобразования // Приборы и системы Управление, контроль, диагностика - 2000 - N 10 - С 28 -31

5 Лиманова Н И Многоканальный волоконно-оптический датчик, инвариантный к воздействию дестабилизирующих факторов, для измерения вибраций элементов конструкций ГТД // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им акад С П Королева Серия Проблемы и перспективы развития двигателестроения Сб науч тр , вып 4, часть 1 - Самара СГАУ, 2000 - С 142 - 146

6 Лиманова Н И Проектирование датчиков со структурной избыточностью на основе новых информационных технологий // Приборы и системы Управление, контроль, диагностика - 2003 - N 2 - С 39-42

7 Лиманова Н И , Ионе С Д Распределенная автоматизированная система на основе многоканальных волоконно-оптических датчиков для контроля рабочих процессов ГТД // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им акад С П Королева Труды международ науч -технич конф "Проблемы и перспективы развития двигателестроения", ч 1 - Самара СГАУ, 2003 - С 160 - 165

8 Лиманова Н И , Гречишников В М , Лиманов И А Цифровые датчики со структурной избыточностью для контроля перемещений в двигателестрое-нии // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им акад С П Королева Труды международ науч -технич конф "Проблемы

и перспективы развития двигателестроения", ч 1 - Самара СГАУ, 2003 - С 238 - 243

9 Лиманова H И Оптоэлектронные датчики с совмещенными каналами измерения, инвариантные к дестабилизирующим факторам // Авиакосмическое приборостроение - 2005 - N 6 - С 12-16

10 Лиманова H И Метод контроля параметров вибрации и его практическое использование в автоматизированных системах // Датчики и системы - 2006 - N 4 - С 26-29

11 Лиманова H И Помехоустойчивый бесконтактный оптоэлектронный датчик положения для автоматизированных систем контроля уровня вибраций // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им акад С П Королева, вып 2(10), ч 2 - Самара СГАУ, 2006 - С 62-65

12 Лиманова H И Термостабильный датчик давления для контроля рабочих процессов ГТД // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им акад С П Королева, вып 2(10), ч 2 - Самара СГАУ, 2006 -С 55-58

Статьи в материалах зарубежных конференций:

13 Limanova N Multichannel Fiber Optic Sensors for Precision Measurements of Vibration and Linear Position // Fiber Optic and Laser Sensors XIV SPIE Proceedings, 7-9 August 1996, Denver, Colorado, v 2839, pp 342 - 349

Патенты и авторские свидетельства

14 А с 1392365 СССР, МКИ G 08 С 9/04 Электромагнитный преобразователь перемещений / Конюхов H Е , Лиманова H И , Гречишников В M и др -Опубл 30 04 88 Бюл изобр N 16

15 А с 1446460 СССР, МКИ G 01 В 7/30 Измеритель угловых перемещений / Лиманова H И - Опубл 23 12 88 Бюл изобр N 47

16 Ас 1585693 СССР, МКИ G 01 H 11/00 Электромагнитное измерительное устройство / Лиманова H И , Шишкин А Р , Буров В H - Опубл 15 08 90 Бюл изобр N 30

17 А с 1561119 СССР, МКИ Н01 H 36/00 Бесконтактный переключатель / Дмитриев Ю С , Лиманова H И - Опубл 30 04 90 Бюл N 16

18 Ас 1702511 СССР, МКИ H 03 В 1/00, G01 N 27/00 Генератор синусоидальных сигналов / Шишкин А Р , Буров В H , Лиманова H И - Опубл 30 12 91 Бюл изобр N 48

19 А с 1779918 СССР, МКИ G 01 В 21/00 Устройство для измерения расстояний до объекта / Лиманова H И - Опубл 07 12 92 Бюл изобр N 45

20 А с 1779919 СССР, МКИ G 01 В 21/00 Способ измерения расстояний до объекта и устройство для его осуществления / Конюхов H Е , Лиманова H И , Шишкин А Р , Гречишников В M - Опубл 07 12 92 Бюл изобр N 45

21 Ас 1742620 СССР, МКИ G 01 В 21/00 Преобразователь перемещений / Лиманова H И - Опубл 23 06 92 Бюл изобр N 23

22 А с 1798632 СССР, МКИ G 01 H 17/00 Способ измерения вибраций и устройство для его осуществления / Конюхов H Е , Лиманова H И , Шишкин А Р и др - Опубл 28 02 93 Бюл N 8

23 Ас 1805291 СССР, МКИ G 01 В 21/00 Преобразователь перемещений

/ Лиманова Н И , Конюхов Н Е - Опубл 30 03 93 Бюл изобр N 12

24 Патент РФ N 2115896 на изобр , МПК6 G01 К 7/16 Преобразователь температуры / Лиманова Н И , Козырев ЮГ- Опубл 20 07 98 Бюл изобр N 20

25 Патент РФ N 2267085 на изобр , МПК7 G01 В 11/16, G02 В 26/06 Волоконно-оптический датчик / Ионе С Д , Лиманова НИ- Опубл 27 12 2005 Бюл изобр N 36

26 Патент РФ N 2287791 на изобр , МПК G01L 9/00 Термокомпенсирован-ный датчик давления / Лиманова Н И , Шишкин П А , Лышов В А - Опубл 20 11 2006 Бюл изобр N 32

27 Решение ФИПС о выдаче патента на изобр по заявке N 2005114796/28 (016954) от 23 06 2006 Волоконно-оптический датчик / Лиманова Н И , Ионе С Д , Отрогов М В

Статьи в сборниках трудов:

28 Денисов В А , Лиманова Н И Диагностическая система для оперативного контроля механических факторов коммутации электрических микромашин // Специальные электрические машины Сб науч тр - Куйбышев КПТИ, 1983 - С 118 - 124

29 Лиманова Н И , Голубева Т В Электромагнитное устройство с повышенной температурной стабильностью Рукопись деп 05 09 84 в ВИНИТИ, N 6077 - 84

30 Лиманова Н И , Пиганов М Н , Капцов А В Физико-математическая модель электромагнитной и механической систем электромагнитного устройства // Оптоэлектронные и электромагнитные датчики механических величин Сб науч тр Куйбышев КуАИ, 1988 - С 56 - 59

31 Лиманова Н И Способы бесконтактного измерения перемещений и параметров вибраций с помощью волоконно-оптических датчиков со структурной избыточностью // Современные методы и приборы неразрушающего контроля

Матер семин - М ЦРДЗ, 1992 С 11-17

32 Конюхов Н Е , Лиманова Н И Датчики перемещений с совмещенными каналами измерения различной физической природы // Датчики систем измерения, контроля и управления Межвуз сб науч тр , вып 12 - Пенза ППИ, 1992 - С 77-83

33 Лиманова Н И Оригинальный волоконно-оптический датчик для контроля вибраций конструкций ГТД // Доклады Международн науч -техн конф , посвященной памяти Генерального конструктора аэрокосмич техники акад Н Д Кузнецова, ч 2 - Самара Сам науч центр РАН, 2001 - С 63-69

34 Лиманова Н И , Гречишников В М , Лиманов И А Обобщенная энергетическая характеристика оптоэлектронных датчиков ДЛА, построенных на основе ВОЛС // Доклады Межд науч -техн конф , посвященной памяти Генерального конструктора аэрокосмич техники акад Н Д Кузнецова, ч 2 - Самара Сам науч центр РАН, 2001 - С 133-138

35 Лиманова Н И Устойчивые к воздействию дестабилизирующих факторов датчики на основе функциональных тестов с многоступенчатой обработкой сигнала // Датчики и преобразователи информации систем измерения,

контроля и управления Материалы Х1У Всерое науч -техн конф с участием зарубежных специалистов - М МГИЭМ, 2002 - С 91-92

36 Лиманова Н И , Конюхов Н Е Распределенная автоматизированная система на основе многоканальных волоконно-оптических датчиков // Актуальные проблемы науки и образования Труды Международн юбилейн симп-ма, т 2 - Пенза Информ -издат центр ПГУ, 2003 - С 301-304

37 Лиманова Н И Дифференциальные уравнения и параметры магнитной линии // Актуальные проблемы радиоэлектроники Материалы Всерос науч -техн конф - Самара Изд-во "НТЦ", 2003 - С 74-75

38 Лиманова Н И Повышение точности измерений датчиков на основе обобщенных математических моделей, использующих трансцендентные функции // Профессиональное образование в научно-педагогических исследованиях Сб науч ст - Тольятти ТГУ, 2003 С 249-253

39 Лиманова Н И Математическое моделирование датчиков со структурной избыточностью // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления Материалы ХУ Всерос науч -техн конф с участием зарубежных специалистов - М МГИЭМ, 2003 - С 52-54

40 Лиманова Н И Двухканальный волоконно-оптический датчик положения с модулированным излучением // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления Материалы ХУ1 Всерос науч -техн конф с участием зарубежных специалистов - М МГИЭМ, 2004 - С 151-153

41 Лиманова Н И , Ионе С Д Варианты аппаратной реализации современных автоматизированных систем // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления Материалы ХУ1 Всерос науч -техн конф с участием зарубежных специалистов - М МГИЭМ, 2004 - С 277-278

42 Лиманова Н И Многофункциональный датчик для экстремальных условий работы // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций Матер Всерос науч -техн конф - Самара СГАУ, 2005 С 144 - 146

43 Конюхов Н Е , Лиманова Н И Датчики механических величин, инвариантные к дестабилизирующим факторам // Датчики и системы - 2005 Материалы Международ НТК - Пенза ФНПЦ ФГУП "НИИФИ", 2005 - С 42-43 Тезисы докладов на Всесоюзных и Международных конференциях:

44 Лиманова Н И , Лиманов И А , Макаров А В и др Термостабилизиро-ванный вихретоковый преобразователь // Электромагнитные методы контроля качества материалов и изделий Тез докл Всесоюз науч -техн конф, ч 1 -Омск ОПИ, 1983 - С 90-91

45 Лиманова Н И Устройство для контроля перемещений с повышенной точностью и чувствительностью // Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем Тез докл Всесоюз совещ молодых ученых и спец-ов - М , 1987 - С 109

46 Конюхов Н Е , Лиманова Н И Волоконно-оптические датчики перемещений со структурной избыточностью // Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства неразрушающего контроля качества промышленной продукции Тез докл Всесоюз науч -технич конф - Саратов, 1991 - С 5 - 6

47 Лиманова Н И Волоконно-оптические датчики перемещений со струк-

турной избыточностью // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления Тез докл IV науч -технич совещания ученых и специалистов с участием представителей зарубежных стран - Гурзуф, 1992

- С 16

48 Лиманова Н И Способы повышения точности измерений волоконно-оптических датчиков перемещений // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления Тез докл Междун науч -технич конф , ч 2 - М МГИЭМ, 1993 С 215 - 216

49 Лиманова Н И Амплитудные, время-импульсные, фазовые волоконно-оптические датчики перемещений со структурной избыточностью // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации Тез докл Международ науч -технич конф - Курск КПИ, 1993 - С 50

50 Лиманова Н И , Конюхов Н Е Волоконно-оптические датчики перемещений со структурной избыточностью // Новые информационные технологии и системы Матер докл Международ науч -технич конф - Пенза ПГТУ, 1994

- С 119

51 Лиманова Н И , Конюхов Н Е Использование многоканальных волоконно-оптических датчиков для контроля параметров вибраций в элементах конструкций газотурбинных двигателей // Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе Тез докл Международ науч -технич конф , вып 1, ч 1 - Самара СГАУ, 1997-С 121

52 Лиманова Н И , Строгав М В , Ионе С Д Автоматизированная система для исследования механизмов деформации и разрушения различных металлов и сплавов // Физика прочности и пластичности материалов Сб тез XV Международ конф - Тольятти ТГУ, 2003 - С 3-63

53 Н И Лиманова, М В Строгов, А А Павлинов Современные аппаратные средства систем автоматического управления // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций - Самара СГАУ, 2005, С 146 - 147

54 Лиманова Н И Метод бесконтактного определения температур поверхностей // Проблемы и перспективы развития двигателестроения Материалы докладов МНТК 21 - 23 июня 2006 г, ч 2 - Самара СГАУ - С 117

55 Лиманова Н И Волоконно-оптический датчик положения с модулированным излучением, инвариантный к дестабилизирующим факторам // Проблемы и перспективы развития двигателестроения Материалы докладов МНТК 21 -23 июня 2006 г, ч 2 Самара СГАУ - С 118

Лиманова Наталия Игоревна

Датчики механических величин, инвариантные к дестабилизирующим

факторам

Автореферат

Подписано в печать 25 12 2006 Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печать оперативная Гарнитура Times New Roman Уел печ л 2,1 Тираж 100 экз Заказ №195

ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П Королева» Типография СГАУ 443086, г Самара, Московское шоссе 34

Введение.

Глава 1. Анализ известных методов коррекции погрешностей измерений и оценка эффективности их применения для ДМВ.

1.1. Математические модели погрешностей датчиков, функционирующих в условиях дестабилизирующих факторов.

1.2. Оценка эффективности существующих методов автокоррекции погрешностей измерений.

1.3. Преимущества и ограничения тестовых методов повышения точности измерений.

1.4. Оценка эффективности функционирования известных ДМВ, инвариантных к ДФ.

Автоматизация процессов управления и контроля в различных областях науки, техники и производства требует широкого применения датчиков механических величин (ДМВ) различной физической природы. Контроль параметров, характеризующих производственные процессы, сводится к измерению ряда физических величин: температуры, механических величии (перемещения, давления, положения и т.д.) и т.п. В реальных условиях эксплуатации автоматизированные системы управления (АСУ) и входящие в их состав датчики испытывают воздействие дестабилизирующих факторов (ДФ). Например, установленные в авиационных системах датчики работают при изменении температуры от -50 до +50°С, напряжения питания — на ±20%, давления — от 1 до 0,01 атм, испытывают вибрации с амплитудой (0,25 v 2) мм в диапазоне частот от 20 до 200 Гц и перегрузки до 20 g. Датчики, входящие в состав ракетно-космических комплексов, совершенствование которых относится к приоритетиым направлениям развития науки, технологий и техники в РФ, подвержены вибрациям в диапазоне (30 8000) Гц с амплитудой (0,5 -г- 40) мм, жесткому радиационному облучению и действию космических частиц. В земных условиях на датчики оказывают влияние механические, климатические, радиационные, электромагнитные и термические факторы, варьирующиеся в широком диапазоне. Климатические воздействия на узлы и элементы преобразователей сказываются тем сильнее, чем выше скорость и диапазон изменения температуры. Процессы старения в датчиках происходят непрерывно как во время работы, так и во время хранения и транспортировки изделий. Действие всех вышеперечисленных внешних и внутренних ДФ приводит к существенному изменению номинальных выходных характеристик преобразователей и к возникновению погрешностей измерений.

Проблема повышения стабильности ДМВ остается актуальной и па сегодняшний день, потому что существующие датчики, работающие в реальных условиях эксплуатации, не в состоянии в должной мере удовлетворять все возрастающим нуждам и требованиям потребителей по своим техпичсским возможностям. Схемы включения датчиков, работающих как в составе АСУ, так и в виде автономных приборов, предполагают наличие усилителей, повторителей, аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и т.д., которые также являются источником нестабильности, что отражается па результате измерений приборов в целом. Задачу стабилизации характеристик преобразователей в отдельно взятой точке при определенных внешних воздействиях можно считать решенной. Однако при неизвестных воздействиях, при их изменении со временем, а также при наличии деградаци-опных процессов в самих датчиках наблюдается существенное отклонение реальных характеристик датчиков от номинальных. Наиболее актуальным является решение таких противоречивых проблем, как повышение точности и стабильности ДМВ одновременно с расширением диапазона преобразуемых ими параметров. При этом наибольшие трудности вызывает решение этих проблем в совокупности, но именно этого требует практика использования ДМВ. В связи с этим необходимо искать новые подходы к построению высокостабильных датчиков, к совершенствованию их структур и принципов функционирования. Повышение точности и стабильности ДМВ в настоящее время во многом достигается благодаря развитию структурно-алгоритмических методов коррекции погрешностей, базирующихся на теории инвариантности систем управления и теории чувствительности. Использование в составе АСУ инвариантных датчиков существенно уменьшает погрешности, возникающие при их работе в жестких условиях эксплуатации. Применение встроенных микропроцессорных вычислительных средств и персональных компьютеров (ПК) в составе АСУ позволяет использовать достаточно сложные и эффективные алгоритмы обработки сигналов и существенно увеличить точность датчиков.

В теорию и практику повышения точности и стабильности датчиков на основе структурно-алгоритмических методов большой вклад внесли Т.М. Алиев, Э.М. Бромберг, Э.И. Гитис, В.М. Гречишников, В.Г. Домрачев, М.А. Земельман, Н.Е. Конюхов, K.JI. Куликовский, Г.И. Леонович, JI.M. Логвинов, В.Н. Нестеров, П.В. Новицкий, П.П. Орнатский, С.П. Персии, Б.Н. Петров, В.В. Сазонов, Ю.А. Скрипиик, Ю.И. Стеблев, Ю.М. Туз, В.К.

Шакурский, К.Б. Клаассен, Т. Роман, Н. Hart, Н. Juttemann, Н. Kollner, I. Lira, W. Lotze, A. Morris, I. Morse, J. Piotrowski, E. Schrufer, F. Tse, P. Taubert и ряд других авторов. Анализ представленных в их трудах методов коррекции погрешностей показал, что практической областью использования методов образцовых мер, итерационных и тестовых является измерение электрических величин, преимущественно тех, для которых создание точных обратных преобразователей, а также аддитивных и мультипликативных тестов контролируемых параметров не вызывает трудностей. Методы инвариантных преобразований, использующие мостовые схемы включения датчиков, позволяют скорректировать только погрешности чувствительных элементов (ЧЭ) и мостовой схемы. При использовании преобразователей для контроля механических величин появляется ряд специфических задач, связанных с обеспечением точности измерений, причем эти задачи являются общими для всего класса ДМВ. В работе рассматривается общий подход к совершенствованию ДМВ на основе тестовых измерений, решаются проблемы, характерные для всей совокупности ДМВ

Методы инвариантных преобразований, использующие мостовые схемы включения датчиков /110, 11, 112, 114, 158/, при их реализации требуют введения аппаратной избыточности: усилителей, перемножителей, делителей и т.д., что приводит к уменьшению только погрешности собственно чувствительных элементов и мостовой схемы, при этом требования к точности исполнения элементов устройств аппаратной избыточности и основного канала измерения одинаковы. Кроме того, в рассмотренных преобразователях не устраняются погрешности всего измерительного тракта: смещение нуля и коэффициенты преобразования АЦП, усилителей и других составляющих схем подключения датчиков. А такие виды погрешностей, как изменение функции преобразования (ФП) во времени или под действием ДФ рассматриваемые методы вообще учесть не могут.

С точки зрения коррекции погрешностей всего измерительного тракта наиболее перспективными являются тестовые методы. Они не требуют отключения контролируемого параметра от входа датчика и наличия обратного преобразователя. Суть тестовых методов заключается в оптимизации работы измерительных устройств в изменяющихся условиях окружающей среды, при действии на датчики ДФ и при наличии в них деградационных процессов путем придания им способности приспособления к изменениям этих факторов на основе использования текущей информации о внешних условиях. Однако, как отмечается в /1/, тестовые методы пока что находят незаслуженно узкое применение. Разберемся в причинах данной ситуации. При существующем подходе, когда функция преобразования датчика описывается полиномом п -ой степени, либо используется кусочно-линейная аппроксимация, для реализации тестового алгоритма необходимо формирование в устройствах тестов двух типов: аддитивных и мультипликативных. При контроле электрических величин данная ситуация пе является критической, поскольку умножение такой измеряемой величины, как, например, напряжение на постоянный коэффициент, получение суммы измеряемого напряжения с опорным не представляет технической сложности. Необходимо вспомнить, что тестовые методы нашли свое применение именно в области измерения электрических величин. Рассмотрим данную ситуацию применительно к измерениям механических величин. Получение точного и стабильного значения аддитивного теста в ДМВ обычно не вызывает особых затруднений, а создание мультипликативного теста не всегда осуществимо. Неосуществимым (во всяком случае достаточно простым путем) является умножение на постоянный коэффициент для многих измеряемых механических величин, таких как перемещение и его производные, давление, и т.д. Это обстоятельство, как отмечается в /5/, в значительной степени снижает универсальность данного метода коррекции.

Согласно условиям формирования тестового алгоритма все тесты и измеряемая величина должны одновременно находиться в пределах одного интервала аппроксимации. Только в этом случае могут быть определены реальные значения коэффициентов линейной зависимости. При нелинейной функции преобразования датчика величины линейных участков аппроксимации могут иметь весьма малые значения. Величины разностей дополнительных тестовых измерений также оказываются весьма малыми. Поэтому тестовые алгоритмы, основанные на кусочно-линейном представлении выходной характеристики датчика, реализующиеся путем нахождения отношения разностей близких между собой чисел, характеризуются значительным (в десятки раз) увеличением случайной составляющей погрешности по сравнению с одпотактным преобразованием.

В ДМВ с использованием упругого ЧЭ, преобразующего силу, момент, давление и т.д. в регистрируемое перемещение, внешние ДФ действуют в том числе и на ЧЭ, изменяя сто физические характеристики. В таких случаях точное измерение перемещения ЧЭ на основе тестовых измерений пе позволяет устранить влияние ДФ на результат измерения. Для повышения точности и стабильности таких датчиков требовалось разработать комбинированные методы, включающие алгоритмы реализации тестовых методов и преобразования, связанные с обработкой вспомогательных измерений ДФ.

В преобразователях, использующих тестовые измерения, существенный вклад в общую погрешность дает методическая составляющая, возникающая в результате отличия функции преобразования (ФП) датчика от используемой математической модели, положенной в основу тестового алгоритма.

Перечисленные недостатки без их устранения ограничивают возможности тестовых методов. Поэтому развитие теоретических основ тестовых измерений в области контроля механических величии и создание ДМВ, инвариантных к ДФ, па их основе представляет собой важную научную проблему. Разработка датчиков, обладающих высокой точностью и стабильностью в жестких условиях эксплуатации, в широком диапазоне изменения измеряемых величин и в течение длительных промежутков времени, является актуальной как для автономных приборов различного принципа действия и назначения, так и для информационно-измерительных и управляющих систем в целом.

Целью диссертационной работы является развитие теории тестовых измерений и создание па ее основе ДМВ, инвариантных к воздействию ДФ, обладающих повышенной точностью, стабильностью и увеличенным диапазоном измеряемых величии.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Анализ математических моделей погрешностей, обусловленных влиянием ДФ на датчики, и существующих методов их коррекции.

2. Разработка тестовых алгоритмов повышения точности и стабильности ДМВ па основе дробно-рациональных, степенных и трансцендентных функций (ДРСТФ), использующихся в качестве аппроксимирующих моделей выходных характеристик датчиков. 3. Исследование возможностей использования тестов одного типа: аддитивных, мультипликативных или функциональных в датчиках, ФП которых описываются математическими моделями в виде ДРСТФ.

4. Создание базы данных типовых ФП ДМВ и соответствующих им алгоритмов реализации тестовых методов.

5. Разработка методов бесконтактной установки датчиков на заданном расстоянии от объекта и контроля этого расстояния в автоматическом режиме па протяжении всего цикла измерений.

6. Разработка конструкций и схем ДМВ, инвариантных к ДФ, на основе современной элементной базы и микроконтроллеров и их практическое использование как в виде автономных приборов, так и в составе АСУ. Экспериментальные и теоретические исследования полученных методов и датчиков.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы дифференциального и интегрального исчислений, аппарат линейной алгебры, численных методов, теория инвариантности, теория вероятностей и теория погрешностей. При проведении численных расчетов использовались высокоуровневые методы программирования.

Научная новизна работы заключается в развитии теории тестовых измерений применительно к ДМВ, обеспечение инвариантности к ДФ результатов измерений датчиков для повышения их точности, стабильности и расширения диапазона измеряемых величин.

1. Впервые разработаны алгоритмы реализации тестовых методов повышения точности и стабильности ДМВ на основе обобщенных математических моделей, использующих ДРСТФ. Известные алгоритмы строятся на основе полииомов и кусочно-линейного описания ФП датчиков и требуют наличия обязательно тестов двух типов: аддитивных и мультипликативных.

2. Показана возможность использования в разработанных алгоритмах тестов одного типа: аддитивных, мультипликативных или функциональных для ДМВ, ФП которых описываются ДРСТФ. 3. Впервые получены аналитические выражения для определения измеряемой величины ДМВ по результатам тестовых измерений на основе функциональных тестов — физических величин, функционально связанных с измеряемой величиной.

4. Разработан новый метод измерений, обеспечивающий работу ДМВ на линейном участке ФП. Метод реализуется путем анализа значения второй производной ФП датчика. Величина второй производной определяется на основе информации, полученной при тестовых измерениях.

5. Предложен новый способ бесконтактной установки ЧЭ датчиков на заданном расстоянии от поверхности исследуемого объекта в автоматическом режиме на протяжении всего времени измерений. Способ основан на формировании и обработке разностного и суммарного сигналов с двух измерительных каналов ДМВ. Разностный сигнал используется для стабилизации рабочего расстояния, а суммарный — для стабилизации чувствительности датчика.

6. Предложен способ температурной коррекции выходной характеристики ДМВ, новизна которого заключается в комбинации тестовых измерений и впервые реализуемого бесконтактного определения температуры ЧЭ по его проводимости вихретоковым методом.

7. Разработаны новые конструкции, структурные схемы и алгоритмы функционирования ДМВ, позволившие повысить их устойчивость к ДФ и расширить диапазон измеряемых величии.

Практическая ценность работы.

Предложена совокупность конструктивных, схемотехнических и алгоритмических решений, обеспечивающих создание ДМВ, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям, обладающих расширенным диапазоном изменения измеряемого параметра.

Создана база данных, содержащая типовые ФП ДМВ и соответствующие им алгоритмы реализации тестовых методов. Разработан измерительно-вычислительный комплекс, программно- аппаратное обеспечение которого позволяет по экспериментально полученным характеристикам преобразователей определять соответствующий им тестовый алгоритм. Это существенно сокращает сроки проектирования, уменьшает затраты на экспериментальные исследования датчиков. Разработаны преобразователи перемещений, вибраций, положения и давления, реализующие разработанные методы и теоретические положения, позволяющие повысить устойчивость ДМВ к ДФ, среди которых волоконно-оптические датчики перемещений, рабочий диапазон которых расширен в 5 раз по сравнению с аналогичными преобразователями. Датчики обеспечивают результат, инвариантный к загрязнению контролируемой поверхности, к изменениям мощности источника излучения и к внешним засветкам; электромагнитные датчики перемещений, рабочий диапазон которых увеличен в 3 раза по сравнению с аналогами. Результат измерений датчиков инвариантен к воздействию внешних электромагнитных полей; волоконно-оптические датчики вибраций, обладающие возможностью бесконтактной установки ЧЭ на заданном расстоянии от исследуемых объектов и контроля этого расстояния в автоматическом режиме на протяжении всего времени измерений. Датчики позволяют устанавливать рабочий зазор с точностью 0,01 мм непосредственно в процессе измерения вибраций; — термокомпенсированпые датчики давления на основе использования конструктивно совмещенных волоконно-оптических и вихретоковых каналов измерения, принцип действия которых основан на использовании тестовых измерений и впервые реализуемого бесконтактного определения температуры ЧЭ по его проводимости вихретоковым методом. Датчик позволяет зафиксировать погрешность измерений на уровне 1% в условиях высоких температур (до 300°С и выше).

На защиту выносятся:

1. Алгоритмы реализации тестовых методов на основе математических моделей, использующих ДРСТФ и тестов одного вида: аддитивных или мультипликативных, позволяющие повысить устойчивость датчиков к ДФ в области измерения механических величин.

2. Способ измерения перемещений на основе использования в ДМВ функциональных тестов, позволяющий сохранить высокую точность и стабильность датчиков в условиях ДФ в широком диапазоне изменеиия измеряемого параметра и в течение длительного времени.

3. Метод измерений, обеспечивающий работу ДМВ иа линейном участке их ФП. Метод реализуется путем анализа значения второй производной ФП датчика. Величина второй производной определяется па основе информации, полученной при тестовых измерениях.

4. Способ бесконтактной установки ЧЭ датчиков на заданном расстоянии от исследуемых объектов и контроля этого расстояния в автоматическом режиме на протяжении всего времени измерений. Он основан на формировании и обработке разностного и суммарного сигналов с двух измерительных каналов ДМВ и позволяет повысить достоверность измерений без проведения дополнительных калибровок. 5. Способ температурной коррекции характеристик преобразователей, основанный на бесконтактном измерении температуры ЧЭ по его проводимости. б. Конструкции, структурные схемы и алгоритмы функционирования ДМВ, устойчивых к ДФ, для контроля перемещений, вибраций, положения и давления с широкой областью практических применений.

Реализация результатов работы. На основе полученных в диссертационной работе теоретических результатов разработаны и внедрены в производство и в учебный процесс технических специальностей вуза ДМВ, устойчивые к ДФ, основанные на бесконтактном оптическом, электромагнитном и вихретоковом взаимодействии с контролируемым объектом и предназначенные для контроля перемещений, вибраций, положения объектов, а также для измерения давлений жидкостей и газов. Отличительной особенностью разработанных датчиков является присутствие в них одного или нескольких корректирующих каналов с аналогичной или отличающейся от основного измерительного канала физической природой. Созданные аппаратные средства внедрены в стендах "Испытания кузова на изгибную и крутильную жесткость", "Испытания капота, крыши багажника на дол-говечность"на предприятии ОАО "АВТОВАЗ"(г. Тольятти), в системе автоматического контроля и управления установкой правки насосных штанг и в установке для опрессовки труб в ЗАО НИПЦ "НефтеГазСсрвис"(г. Самара), в составе системы позиционирования лазерного микроскопа в НПО "Волна"(г. Москва) и в учебный процесс Тольяттинского государственного университета (г. Тольятти).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на первом Всесоюзном совещании-семинаре "Датчики и преобразователи информационно-управляющих систем "(Москва, 1987), Всесоюзной научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства перазрушающего контроля качества промышленной продукции"(Саратов, 1991), постоянно действующем научно-техническом семинаре "Современные методы и приборы перазрушающего контроля"(Москва, 1992), Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии и системы "(Пенза, 1994), 1-ой Поволжской научно-технической конференции "Научно-исследовательские разработки и высокие технологии двойного применения"(Самара, 1995), Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика" (Москва, 1995), Международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития двигателестроеиия в Поволжском ре-гионе"(Самара, 1997), Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Генерального конструктора аэрокосмической техники акад. Н.Д. Кузнецова (Самара, 2001, 2006), Международном юбилейном симпозиуме "Актуальные проблемы науки и образования"(Пенза, 2003), VII, VIII, XIY и XYI научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления"(Гурзуф, 1993, 1995, Судак, 2002, 2004), Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций"(Самара, 2005, 2006), Международной научно-технической конференции "Датчики и системы - 2005"(Пен-за, 2005).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 63 печатных работы, в том числе 1 монография, 1 учебное пособие, 10 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 16 статей в сборниках трудов. Получено 14 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 271 странице текста, содержит 63 рисунка и 6 таблиц.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Выявлены ограничения тестовых методов в области измерения механических величин: увеличение некоррелированной составляющей погрешности в 20-30 раз по сравнению с однотактным (пе тестовым) измерением и необходимость использования в известных тестовых алгоритмах на основе полиномов и кусочно-линейного описания ФП датчиков обязательно тестов двух типов: аддитивных и мультипликативных. Два типа тестов конструктивно сложно сформировать в большинстве ДМВ.

2. Разработаны новые алгоритмы реализации тестовых методов на основе обобщенных математических моделей, использующих ДРСТФ. Показана возможность использования тестов одного типа: аддитивных, мульти-пликативиых или функциональных для ДМВ, ФП которых описываются ДРСТФ. По сравнению с известными разработанные алгоритмы обеспечивают уменьшение в 10 — 15 раз некоррелированной составляющей погрешности тестовых измерений и уменьшение погрешности формирования тестов на 25% в среднем по диапазону. Возможность использования одного типа тестов снимает конструктивные ограничения в реализации тестовых методов для ДМВ.

3. Впервые предложен способ измерений на основе использования в ДМВ функциональных тестов, позволяющий повысить точность датчиков в жестких условиях эксплуатации. Способ обеспечивает стабильный уровень погрешности во всем диапазоне изменения измеряемого параметра в течение длительного времени. Данный уровень сохраняется в условиях воздействия ДФ.

4. Создана база данных, содержащая типовые ФП ДМВ и соответствующие им тестовые алгоритмы. Разработан измерительно-вычислительный комплекс, программно- аппаратное обеспечение которого позволяет по экспериментально полученным характеристикам преобразователей определять соответствующий им тестовый алгоритм. Это существенно сокращает сроки проектирования, уменьшает затраты иа экспериментальные исследования датчиков.

5. Разработан метод измерений, при котором ЧЭ датчиков выводятся на оптимальное расстояние от объекта контроля, обеспечивающий работу на линейном участке ФП. Метод реализуется путем анализа второй производной ФП датчика иа основе информации, полученной при тестовых измерениях. Установка ЧЭ преобразователя осуществляется непосредственно в процессе измерений.

6. Предложен способ бесконтактной установки ЧЭ датчиков на заданном расстоянии от поверхностей исследуемых объектов в автоматическом режиме на протяжении всего времени измерений. Способ основан на формировании и обработке разностного и суммарного сигналов с двух измерительных каналов ДМВ. Разностный сигнал используется для стабилизации рабочего расстояния, а суммарный — для стабилизации чувствительности датчика. Погрешность установки составляет 0,1 % и не изменяется в течение всего времени контроля. Гарантированная установка ЧЭ ДМВ на заданном расстоянии от исследуемого объекта, соответствующем определенной точке его ФП, позволяет свести к минимуму методическую погрешность, возникающую при несовпадении ФП датчика с используемой математической моделью.

7. Предложен способ температурной коррекции выходной характеристики преобразователей, основанный на тестовых измерениях и впервые реализуемом бесконтактном контроле температуры ЧЭ по его проводимости вих-ретоковым методом. Способ позволяет поддерживать заданные точность и стабильность в условиях повышенных температур.

8. На основе использования тестов одного типа и ДРСТФ в качестве математических моделей выходных характеристик преобразователей разработана совокупность конструктивных, схемотехнических и алгоритмических решений, обеспечивающих создание ДМВ, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям и к их изменению со временем, обладающих расширенным диапазоном изменения измеряемого параметра.

Созданы преобразователи перемещений, вибраций, положения и давления, реализующие разработанные методы и теоретические положения, позволяющие повысить устойчивость ДМВ к ДФ, среди них: волоконно-оптические датчики перемещений, рабочий диапазон которых в 5 раз расширен по сравнению с аналогичными преобразователями. Датчики обеспечивают результат, инвариантный к загрязнению контролируемой поверхности, к изменениям мощности источника излучения и к внешним засветкам; электромагнитные датчики перемещений, рабочий диапазон которых увеличен в 3 раза по сравнению с аналогами. Результат измерений датчиков инвариантен к воздействию внешних электромагнитных полей; волоконно-оптические датчики вибраций, обладающие возможностью бесконтактной установки ЧЭ на заданном расстоянии от исследуемых объектов и контроля этого расстояния в автоматическом режиме па протяжении всего времени измерений. Датчики позволяют устанавливать рабочий зазор с точностью 0,01 мм непосредственно в процессе измерения вибраций; термокомпснсированный датчик давления на основе использования конструктивно совмещенных волоконно-оптических и вихретокового каналов измерения. Использование двух волоконно-оптических каналов обеспечивает инвариантность результата измерений к вариациям мощности источника излучения и к изменениям отражающих свойств упругой мембраны. Вихретоковый капал дает возможность компенсировать температурное воздействие. Датчик позволяет определять не только давление, но и температуры контактирующих с мембраной датчика рабочих сред. Кроме того, будучи выполненным в специальном термостойком исполнении, ТДД дает возможность расширить рабочий диапазон температур до 400 0 С при дополнительной погрешности измерений пе превышающей 0,5%, что превосходит характеристики серийно выпускаемых в настоящее время датчиков.

9. Большинство из предлагаемых ДМВ изготовлено в виде экспериментальных образцов и испытано на стендах. Проведенные испытания показали преимущества разработанных ДМВ перед аналогами по ряду их эксплуатационных, метрологических и стоимостных показателей.

Разработанные датчики и реализованные в них алгоритмы и методы внедрены в иснытательных стендах, на производстве, в ряде инженерных фирм. Отдельные результаты работы использованы в учебном процессе в техническом вузе.

Таким образом, достигнута поставленная цель и решены задачи, связанные с совершенствованием обширного класса датчиков механических величин на основе развития теории тестовых измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения теоретических и экспериментальных исследований получен ряд научных и практических результатов.

1. Агамалов Ю.Р. Теоретические основы построения и техническая реализация многофункциональных преобразователей комплексного сопротивления на базе адаптивного подхода: Дис. . д-ра техн. наук: 05.13.05. — М.: РГБ, 2003. С. 18 .

2. Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. Справочные материалы. М.: Машиностроение, 1965, с. 575

3. Алиев Т.М., Вигдоров Д.И., Кривошеев В.П. Системы отображения информации. М.: Высшая школа, 1988. - 123 с.

4. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А., Шекиханов A.M. Итерационные методы повышения точности измерений. М.: Энергоатом из дат, 1986. - 175 с.

5. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника: Учеб. пособие для техн. вузов. — М.: Высш. шк., 1991. — с. 128.

6. Арутюнов П.А. Теория и применение алгоритмических измерений. — М.: Эпергоатомиздат, 1990. — 256 с.

7. А.с. 847065 СССР, МКИ G 01 Н 11/00. Электромагнитное измерительное устройство,— Опубл. 1981. Бюл. № 21.

8. А.с. 1112228 СССР, МКИ G 01 В 21/00. Оптический датчик перемещений /Ю.И.Гудков, Е.А.Зак, В.А.Кокунов, Н.П.Кравченко. Опубл. 7.09.84. Бюл. № 33.

9. А.с. 1392365 СССР, МКИ G 08 с 9/04. Электромагнитный преобразователь перемещений / Н.Е.Конюхов, Н.И.Лиманова, В.М.Гречишников и др.- Опубл. 30.04.88. Бюл. № 16.

10. А.с. 1446460 СССР, МКИ G 01 В 7/30. Измеритель угловых перемещений / Н.И.Лиманова Опубл. 23.12.88. Бюл. № 47.

11. И. А.с. 1561119 СССР, МКИ Н01 Н 36/00. Бесконтактный переключатель / Ю.С.Дмитриев, Н.И.Лиманова. Опубл. 30.04.90. Бюл. № 16.

12. А.с. 1585693 СССР, МКИ G 01 Н 11/00. Электромагнитное измерительное устройство / Н.И.Лиманова, А.Р.Шишкин, В.Н.Буров — Опубл. 15.08.90. Бюл. № 30.

13. А.с. 1702511 СССР, МКИ НОЗ В 1/00, G01 N 27/00. Генератор синусоидальных сигналов / А.Р.Шишкин, В.Н.Буров, Н.И.Лимапова — Опубл. 30.12.91. Бюл. № 48.

14. А.с. 1742620 СССР, МКИ G 01 В 21/00. Преобразователь перемещений / Н.И.Лиманова.— Опубл. 23.06.92. Бюл. № 23.

15. А.с. 1779918 СССР, МКИ G 01 В 21/00. Устройство для измерения расстояний до объекта / Н.И.Лиманова — Опубл. 07.12.92. Бюл. № 45.

16. А.с. 1779919 СССР, МКИ G 01 В 21/00. Способ измерения расстояний до объекта и устройство для его осуществления / Н.Е.Кошохов, Н.И.Лиманова, Шишкин А.Р., Гречишников В.М. — Опубл. 07.12.92. Бюл. №45.

17. А.с. 1798632 СССР, МКИ G 01 Н 17/00. Способ измерения вибраций и устройство для его осуществления / Н.Е.Конюхов, Н.И.Лиманова, Шишкин А.Р. и др. Опубл. 28.02.93. Бюл. № 8.

18. А.с. 1805291 СССР, МКИ G 01 В 21/00. Преобразователь перемещений / Н.И.Лиманова, Н.Е.Кошохов Опубл. 30.03.93. Бюл. № 12.

19. Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерений. — М.: Энергия, 1978 — 176 с.

20. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — М.: Наука, 1986 — 544 с.

21. Буль Б.К. Расчет магнитных проводимостей воздушных зазоров для круглых и прямоугольных полюсов. Пособие по проектированию электрических аппаратов.— М.: Энергия, 1961. — 576 с.

22. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1991. — 326 с.

23. Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Оптика световодов. — Л.: Машиностроение, 1977. — 320 с.

24. Волков Е.А. Численные методы. М.: Наука, 1982. — 256 с.

25. Волоконная оптика и приборостроение / М.М. Бутусов, С.Л. Галкин, С.П.

26. Оробинский и др.; Под общ. ред. М.М. Бутусова. — Л.: Машиностроение, Лепингр. отд-ие, 1987. — 328 с.

27. Гершун А.А. Избранные труды по фотометрии и светотехнике. — M.-JL: Гостехиздат, 1958. — 548 с.

28. Гитис Э.И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. — М.: Энергия, 1975. — 447 с.

29. Голубева Т.В., Лиманова Н.И. Алгоритм сшивания типовых фрагментов (Рукопись деп. 05.10.84 в ВИНИТИ № 6567 84).

30. Гончареико A.M., Карпенко В.А. Основы теории оптических волноводов. — Минск: Наука и техника, 1983. — 237.

31. Гореликов В.И., Домарацкий А.Н., Ситников Л.С. Интерфейс для программируемых приборов в системах автоматизации эксперимента. — М.: Наука, 1981. 262 с.

32. Денисов В. А, Лиманова Н.И. Диагностическая система для оперативного контроля механических факторов коммутации электрических мик-ромашии // Специальные электрические машины: Сб. науч. тр.— Куйбышев: КПТИ, 1983. с.118- 124.

33. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. — М.: Изд-во стандартов, 1973. — 191 с.

34. Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. М.: Энергоатомиздат, 1987. — 113 с.

35. Зак Е.А. Волокопио-оптические преобразователи с внешней модуляцией. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 128 с.

36. Зарипов М.Ф. Преобразователи с распределенными параметрами. — М.: Энергия, 1969. 176 с.

37. Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. М.: Изд-во стандартов, 1972. — 251 с.

38. Земельман М.А. Методический материал по применению ГОСТ 8.009-72. "ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений". -М.: Изд-во стандартов, 1975. — 182 с.

39. Иванова Н.И. Расчеты упругих чувствительных элементов датчико-вой аппаратуры. М.: МЛТИ, 1972. - 139 с.

40. Измерения в промышленности. Справ, изд. в 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура: пер. с нем. /Под ред. Профоса П. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990, с. 314.

41. Ильюшин А.А. Пластичность, Гостехиздат, 1948. — 359 с.

42. Исследование, разработка и внедрение методик, аппаратуры и средств диагностического перазрушающего контроля электрорадиоизделий // Пиганов М.Н., Черпобровин Н.Г., Лимапова Н.И. и др. — Отчет № 01860110791, Куйбышев, КуАИ: НИЧ, 1988, с.132.

43. Кавалеров Г.И., Мандельштам С.М. Введение в информационную теорию измерений. — М.: Энергия, 1974. — 375 с.

44. Калман Р.Е. Об общей теории систем управления // Теория дискретных, оптимальных и самонастраивающихся систем: Тр. 1 Междунар. конгр. ИФАК. Т.2. М.: Изд-во АН СССР, 1961. - с. 521 - 547.

45. Капаии Н. Волоконная оптика. Принципы и применения: Пер. с англ. под ред. Вейиберга В.В., Саттарова Д.К. — М.: Мир, 1969. —464 с.

46. Карцев Е.А., Карцева Е.В. Датчики и приборы для измерения пеэлек-трических величин. Справочник. — М.: Моск. НТО приборостроителей и метрологов им. С.И. Вавилова, 1992. — 174 с.

47. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. / Пер. с англ. Воронова Е.Л. и Ларина А.Л. — М.: Постмаркет, 2000, 350 с.

48. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа. — М.: Наука, 1972. 496 с.

49. Конюхов Н.Е., Медников Ф.М., Нечаевский М.Л. Электромагнитные датчики механических величии. — М.: Машиностроение, 1987.

50. Конюхов Н.Е., Лимапова Н.И. Датчики перемещений с совмещенными каналами измерения различной физической природы // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвуз. сб. науч. тр. — Вып. К0- 12. —

51. Пенза: ППИ, 1992. с. 77 - 83.

52. Конюхов Н.Е., Лнманова Н.И. Датчики механических величин, инвариантные к дестабилизирующим факторам // Датчики и системы 2005. Материалы Междупарод. НТК. - Пенза: ФНПЦ ФГУП "НИИФИ", 2005. -С. 42-43.

53. Копейкин С.В. Адаптивные методы обработки измерений. — Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та. 1982. 121 с.

54. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. — 4-е изд. — М.: Наука, 1978.- 579 с.

55. Красюк Б.А., Семенов О.Г., Шереметьев А.Г., Шестериков В.А. Свс-товодиые датчики. — М.: Машиностроение, 1990. — 276 с.

56. Куликовский Л.Ф., Морозов В.К. Основы информационной техники. — М.: Высшая школа, 1977. — 360 с.

57. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин (измерительные преобразователи). — Л.: Эпергоатомиздат, Ленингр. отд-пие, 1983. — 320 с.

58. Лиманова Н.И., Лиманов И. А., Макаров А. В. и др. Термостабилизированный вихретоковый преобразователь // Электромагнитные методы контроля качества материалов и изделий: Тез. докл. Всесоюз. иауч.-техн. конф, ч. 1. Омск: ОПИ, 1983. - С. 90-91.

59. Лиманова Н.И., Голубева Т.В. Электромагнитное устройство с повышенной температурной стабильностью. Рукопись деп. 05.09.84 в ВИНИТИ, N 6077 84.

60. Лиманова Н.И. Устройство для контроля перемещений с повышенной точностью и чувствительностью // Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем: Тез. докл. Всесоюз. совещ. молодых ученых и сиец-ов М., 1987. - С. 109.

61. Лиманова Н.И. Способы бесконтактного измерения перемещений и параметров вибраций с помощью волоконно-оптических датчиков со структурной избыточностью // Современные методы и приборы перазрушающе-го контроля: Матер, семин. М.: ЦРДЗ, 1992, С. 11 - 17.

62. Лиманова Н.И. Двухканальный волоконно-оптический измеритель вибраций. Информационный листок К0- 116 - 92, Самара: ЦНТИ, 1992.

63. Лиманова Н.И. Волоконно-оптический датчик положения с модулированным оптическим излучением. — Информационный листок № 304 92, Самара: ЦНТИ, 1992. - 2 с.

64. Лиманова Н.И. Способы повышения точности измерений волоконпо-оптических датчиков перемещений // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: Тез. докл. Междуп. пауч.-технич. конф., ч.2. М.: МГИЭМ, 1993. С.215 - 216.

65. Лиманова Н.И., Конюхов Н.Е. Волоконно-оптические датчики перемещений со структурной избыточностью // Новые информационные технологии и системы: Матер, докл. Междупарод, науч.-технич. копф. Пенза: ПГТУ, 1994. - С. 119.

66. Лиманова Н.И. Оптоэлектронпая контролирующая система // Научпо-исследова-тсльские разработки и высокие технологии двойного применения: Материалы 1-ой Поволжской научно-технической конференции. Самара: ГПСО "Импульс". 1995, ч. 2. с. 69.

67. Лиманова Н.И. Система для измерения параметров вибраций узлов летательных аппаратов // Всероссийская молодежная научно-техническая конференция "Гагаринскис чтения": Тез. докл.— Москва: МГАТУ, 1995. ч. 3. с. 36.

68. Лиманова Н.И. Инвариантный к воздействию дестабилизирующих факторов волоконно-оптический датчик // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2000.- N 5. - С. 55 - 57.

69. Лиманова Н.И. Тестовый метод повышения точности измерений датчиков с нелинейными дробно-рациональными функциями преобразования // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2000. - N 10. - С. 28 - 31.

70. Лиманова Н.И. Дифференциальные уравнения и параметры магнитной линии // Актуальные проблемы радиоэлектроники: Материалы Всерос. науч.-техн. конф. Самара: Изд-во "НТЦ", 2003. - С.74-75.

71. Лимапова Н.И. Повышение точности измерений датчиков на основе обобщенных математических моделей, использующих трансцендентные функции // Профессиональное образование в научно-педагогических исследованиях: Сб. науч. ст. Тольятти: ТГУ, 2003. - С.249-253.

72. Лиманова Н.И. Магнитооптические преобразователи перемещений. Учеб. пособие. Самара: СГАУ, 2003. - 120 с.

73. Лиманова Н.И. Проектирование датчиков со структурной избыточностью на основе новых информационных технологий // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.- 2003. N 2 - С. 39-42.

74. Лиманова Н.И. Инвариантные к дестабилизирующим факторам датчики и их моделирование средствами информационных технологий. М.:

75. НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ, 2005. 140 с.

76. Лиманова Н.И. Оптоэлектронные датчики с совмещенными каналами измерения, инвариантные к дестабилизирующим факторам // Авиакосмическое приборостроение. 2005. - N 6. - С. 12 - 16.

77. Лиманова Н.И. Многофункциональный датчик для экстремальных условий работы // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: Матер. Всерос. науч.-техн. конф. Самара: СГАУ, 2005. С. 144 -146.

78. Лиманова Н.И. Метод контроля параметров вибрации и его практическое использование в автоматизированных системах // Датчики и системы. 2006. - N 4. - С. 26 - 29.

79. Лиманова Н.И. Термостабильный датчик давления для контроля рабочих процессов ГТД // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П.Королева, вып. 2(10), ч. 2. Самара: СГАУ, 2006. - С. 55 - 58.

80. Лиманова Н.И. Метод бесконтактного определения температур поверхностей // Проблемы и перспективы развития двигателестроепия. Материалы докладов МНТК 21 23 июня 2006 г., ч. 2. - Самара: СГАУ. - С. 117.

81. Лиманова Н.И. Волоконно-оптический датчик положения с модулированным излучением, инвариантный к дестабилизирующим факторам // Проблемы и перспективы развития двигателестроепия. Материалы докладов МНТК 21 23 июня 2006 г., ч. 2. Самара: СГАУ. - С. 118.

82. Логинов В.Н. Электрические измерения механических величии. — М.: Энергия, 1976. 104 с.

83. Маркузе Д. Оптические волноводы: Пер. с англ. под ред. В.В. Шевченко — М.: Мир, 1974. 576 с.

84. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. — М.: Энергия, 1976. 391 с.

85. Меиский Б.М. Принцип инвариантности в автоматическом регулировании и управлении. М.: Машиностроение, 1972, 247 с.

86. Мирский Г.Я. Электронные измерения. — М.: Радио и связь, 1986. 440 с.

87. Миф Н.П. Модели и оценка погрешности технических измерений, М.: Изд-во стандартов. 1976. 144 с.

88. Нестеров В.Н. Инвариантные параметрические измерительные преобразователи с линейными функциями преобразования // Измерительная техника. 1993.- №3. - С.52-55.

89. Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: "Наука", 1971, 207 с.

90. Нестеров В.Н. Инвариантные делители напряжения для измерительных приборов // Приборы и системы управления. 1995.-.NH2. - С.30-31.

91. Нестеров В.Н. Иивариаитпые измерительные мосты для измерения крутящего момента // Метрология.-1992.-№12. С.28-36.

92. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. — JI.: Машиностроение, 1968. — 248 с.

93. Ноткин Ю.А., Лопатка К.Н., Вулгин Н.И. Многоканальные измерительные преобразователи. — СПб.: Энергоатомиздат, 1992. 212 с.

94. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи иеэлектрических величии. — М.: Энергия, 1970. 360 с.

95. Осадчий Е.П. Проектирование датчиков для измерения механических величин. — М.: Машиностроение, 1979. — 480 с.

96. Основы волоконно-онтической связи: Пер. с англ. под ред. Е.М. Ди-анова. — М.: Сов. радио, 1980. —232 с.

97. Основы оптоэлектроиики: Пер. с яп. Э.Г. Азербаева; под ред. Таланта К.М. М.: Мир, 1988. - 285 с.

98. Патент РФ на изобретение № 1795375, МКИ G 01 R17/10. Способ построения инвариантной измерительной цепи и инвариантный измерительный мост Нестерова В.Н. / Нестеров В.Н. — Опубл. 15.02.93. Бюл.№6.

99. Патент РФ на изобретение № 1795375, МКИ G 01 R 17/10. Способ построения инвариантной измерительной цепи и инвариантный измерительный мост Нестерова В.Н. / Нестеров В.Н. — Опубл. 15.02.93. Бюл.Ж).

100. Патент РФ иа изобретение № 2037145, МПК б G01 L 9/04. Тепзо-метрический измеритель давления / Левцов В.П., Королев А.И. — Опубл. 9.06.95.

101. Патент РФ на изобретение № 2046309, МПК G01 L 9/00. Устройство для определения давления насыщенных паров топлив / Королев А.И. — Опубл. 1995, бюл. № 29.

102. Патент РФ на изобретение № 2117951, МКИ G 01 R 17/10. Инвариантный измерительный преобразователь в виде делителя напряжения / Нестеров В.Н. Опубл. 20.08.98. Бюл.№23.

103. Патент РФ N 2115896 на изобр., МПК6 G01 К 7/16. Преобразователь температуры / Лиманова Н.И., Козырев Ю.Г. Опубл. 20.07.98. Бюл. изобр. N 20.

104. Патент РФ N 2267085 на изобр., МПК7 G01 В 11/16, G02 В 26/06. Волоконно-оптический датчик / Ионе С.Д., Лиманова Н.И. Опубл. 27.12.2005. Бюл. изобр. N 36.

105. Патент РФ N 2287791 на изобр., МПК G01L 9/00. Термокомпенси-роваппый датчик давления / Лиманова Н.И., Шишкин П.А., Лышов В.А. Опубл. 20.11.2006. Бюл. изобр. N 32.

106. Петров Б.М. Принцип инвариантности и условия его применения при расчете линейных и нелинейных систем. Труды I Международ, конгресса ИФАК. М.: Из-во АН СССР, 1961, с. 259-271

107. Петров Б.М., Рутковский В.Ю., Крутова И.Н. и др. Принципы построения и проектирования самонастраивающихся систем управления. М.: Машиностроение, 1972. 259 с.

108. Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. — М.: Машиностроение, 1980. — 326 с.

109. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. — М.: Наука, 1979. 387 с.

110. Приборы для неразрушающего контроля качества материалов и изделий: Справочник. В 2-х книгах. / Под ред. В.В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1986. — 840 с.

111. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. — J1.: Энергия, 1978.

112. Решение ФИПС о выдаче патента на изобр. по заявке N 2005114796/28 (016954) от 23.06.2006. Волоконно-оптический датчик / Лимапова Н.И.,. Ионе С.Д., Строгов М.В.

113. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. — М.: Наука, 1978.

114. Романенко А.Ф., Сергеев Г.А. Вопросы прикладного анализа случайных процессов. — М.: Сов. Радио, 1968. — 264 с.

115. Сазонов В.В. Принцип инвариантности в преобразовательной технике. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 166 с.

116. Скрипник Ю.А. Повышение точности измерительных устройств. — Киев: Техника. 1976. — 264 с.

117. Спайдер А., Лав Д. Теория оптических волноводов: Пер. с англ. под ред. Е.М. Дианова, А.В. Шевченко — М.: Радио и связь, 1987. — 655 с.

118. Соболев B.C., Шкарлет Ю.М. Накладные и экранные датчики. -Новосибирск: Наука, 1967. 144 с.

119. Теумин И.И. Волноводы оптической связи. — М.: Связь, 1978.

120. Тиль Р. Электрические измерения пеэлектрических величии. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 191 с.

121. Тойберт П. Оценка точности результатов измерений / Пер. с нем. Храменкова В.Н. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 88 с.

122. Топорец А.С. Оптика шероховатой поверхности. — Л.: Машиностроение, 1988. 191 с.

123. Туз Ю.М. Структурные методы повышения точности измерительных устройств. — Киев: Вища школа, 1976. — 285 с.

124. Туричин A.M., Новицкий П.В., Левшипа Е.С. и др. Электрические измерения неэлектрических величин; Под ред. П.В.Новицкого. Л.: Энергия, 1975.- 576 с.

125. Унгер Х.Г. Планарные и волоконные оптические волноводы: Пер. с англ. под ред. В.В. Шевченко — М.: Мир, 1980. — 656 с.

126. Фадеев Д.К., Фадеева В.Н. Вычислительные методы алгебры. — М.:1. Физматгиз, 19G3. — 734 с.

127. Фсодосьев В.И. Упругие элементы точного приборостроения. Обо-ронгиз. 1949. - 348 с.

128. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов, М.: "Наука", 1972. 544с.

129. Форсайт Дж., Молер К. Численные решения систем линейных алгебраических уравнений. — М.: Мир, 19G9. — 166 с.

130. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. Принципы построения. — М.: Энергия, 1974. — 319 с.

131. Шепк X. Теория инженерного эксперимента. М.: "Мир", 1972, 381 е., Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: "Наука", 1971, 207 с.

132. Электрические измерения неэлектрических величин /Под ред. П.В. Новицкого. 5-е изд., перераб. и доп. — JL: Энергия, Леиингр. отд-нис, 1975. 576 с.

133. Шакурский В.К. Структурно-алгоритмические методы и средства инвариантных преобразований для систем управления технологическими процессами: Автореф. дис. соиск. уч. степ, доктора техн. наук. — Самара: СГАУ, 1998. 39 с.

134. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: "Мир", 1972, 381с.

135. Hague В. Alterating current bridge methods. Fifth edition. London: Pitman and Sons, 1946. -616 p.

136. Hazell C.R., Engel S.L. A Fiber Optical Angilar Displacement Transducer // Journ. of Scientific Instrum. Ser.2, 1969. — V.2. — X5 1. — p. 110- 111.

137. Hsu T.R., Moycr R.G., Banks F.B. A High Temperature Fiber Optical Displacement Probe // Journ. of Scientific Instrum. Ser.2, 1962. — № 12. — p. 1132 1133.

138. Limanova N.I. Multichannel Fiber Optic Sensors for Precision Measurements of Vibration and Linear Position // Fiber Optic and Laser Sensors XIV // SPIE Proceedings, 7-9 August 1996, Denver, Colorado, v. 2839, pp. 342 349.

139. Optical Position Sensor Using Coherent Detection and Polarization Preserving Optical Fiber / Slotwinski Antony R., Kenyon Stephen C.; Digital Signal Corp. (США) пат. № 101102; заявлено 25.04.89; НКИ 356/349.

140. Hart Н. et al. Messgenauigkeit. Berlin: Technik. Cop. 1987. — 316 c.

141. Schrufer E. Elektrische Messtechnik: Messung elektrischer u nichtelektrischer grossen. Munchen; Wien: Hanser. Cop. 1983. — XI, 376 c.

142. Tse F., Morse I. Measurement and instrumentation in engineering: Principles basic laboratories experiments — New York, Basel, Dekker. Cop. 1989. XVIII, 757 p.