автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Интерференционно-кодовые преобразователи

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОВЕДЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

-------РГ5 ОД" ................:...............

^ Ш 33

Городецкий Андрей Емельянович Интерференционно-кодовые преобразователи

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные

приборы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена в Институте проблем машиноведения РАН

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Е. Г. Дебедько

- доктор технических наук, профессор В. Г. Яхушенков

- доктор технических наук, профессор Б. Е. Привалов

Ведущая организация ( предприятие' ) - ВНЦ " ГОИ им. С, И.

Вавилова "

Защита состоится "__'•_______ 1993 г. в "--" ч. на

заседании специализированного Совечл Д 053.26.01 Санкт-Петербургского института точной механики и оптики, по адресу: 197101, Санкт-Петербург, ул. Саблипская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПИТМО. Автореферат разослан "____"_______1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета Д 053.26.01 I

М. Красавцев

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Проблема повышения про: изводительности труда в машиностроении, а гак же повышения качества, ресурса и конкурентоспособности машиностроительной продукции-в значительной степени зависит от уровня автоматизации научных исследований, испытаний, управления, измерения, контроля и диагностирования в машиностроении. В настоящее время только на контроль выпускаемой машиностроением продукции потери времени достигают до 60% от времени ее изготовления. Это обусловлено использованием для целей контроля в основном ручных контактных способов и устройств.

Средства преобразования информации из аналоговой В цифровую форму являются основными техническими средствами измерительных трактов автоматизированных систем, осуществляющими вьод в вычислительные средства информации от объектов автоматизации. При этом точность, быстродействие и чувствительность преобразователей в значительной мере обуславливают эффективность упомянутых автоматизированных систем.

В последнее время активно разра&атываются олтоэлектронные аналого-цифровые преобразователи ( ОЭ АЦП ), имеюцие высокую скорость преобразования, оптическую развязку входа от выхода, широкие амплитудные и частотные диапазоны преобразуемых величин. Однако развитие ОЭ АЦП сдерживается низкой технологичностью их проектирования, изготовления и высокой стоимостью, что не позволяет в полной мере реализовать отмеченные преимущества.

Указанные недостатки могут быть устранены использованием в структуре ОЭ АЦП оптических кодирующих устройств ( ОКУ ), сопрягаемых с интерференционными изображениями, формируемыми на выходе модуляторов. Исследование и разработка теории и методов синтеза таких 03 АЦП, названных в работе интерференционно-кодовыми преобразователями ( ИК11 ) , базируется на результатах этапов НИР следующих тем:

1. По плану АН СССР

За 1968 г. раздел 5.2 плана фундаментальных исследований 'АН СССР по проблеме машиностроения " Развить математические-методы и технические средства диагностирования динамического и статического состояния турбоагрегатов большой мощности."

За 1989 г. раздел '3 программы " Проблемы управления и автоматизации " Отделения проблем машиностроения, механики и процессов

управления АН СССР 3.1.1 Научные основы разработки автоматизированных систем и приборов диагностики сложных технических систем.

За 1990 - 93 г. г. раздел 1 программы " Проблемы управления и автоматизации Отделения проблем машиностроения, механики и процессов управления АН СССР 1.12.6.-1 Автоматизированные системы обработки результатов эксперимента.

2. По плану комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ ( КП 11ТД СЭВ ).

Проблема 2.2.2 Создание систем автоматизации научных исследований и экспериментов.Задание 2.3 Разработка инструментальных программных средств поддержки проектирования АСНИ.

3. Но общесоюзной целевой комплексной научно-технической программе О.Ц. 027 " Создание и развитие автоматизированных систем научных исследований ( АСНИ ) и систем автоматизированного проектирования ( САПР ) с применением стандартной аппаратуры КАМАК и измерительно-вычислительных комплексов. *•

Задание 07.14. Измерительно-вычислительный комплекс с гальваническим разделением цепей И13К16.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является решение проблемы создания ИКП, обеспечивающих высокочувствительное, сверхбыстрое и помехозащпщенное преобразование аналоговых физических величин в цифровую форму для ввода их в вычислительные средства автоматизированных систем. Для достижения поставленной цели были ^ешены следующие задачи:

- созданы'основы теории |1КП, включающие в себя разработку математической модели процесса преобразования на базе теоретического обобщения исследований в области пространственно-временного преобразования света, интерференции, оптического кодирования информации и учета дискретности процессов, проявляющихся при сопряжении структур;

- пазработаны методы и средства осуществления основных процедур преобразования, включая ввод преобразуемых вегцчин в оптический тракт ,' оптическое усиление, оптическое кодирование, корректировку к нормирование выходного кода, с использованием интерференции волн и механических структур, типа растров;

- созданы и исследованы имитационные модели процессов преобразования информации в ИКП, включая соп; чжение пространственно-временных структур, оптическое усиление перемещения комбинационных полос сопряжения и оптическое кодирование положения комбинационных полос;.

- разработаны уравнение измерений и методы оценки точностных характеристик ИК11 с учетом корродированное?» составляющих погрешности преобразования;

- разработаны методика расчета параметров оптических трактов ИКП программные средства для автоматизированного синтеза ИКП с использованием элементом искусственного интеллекта;

- разработаны методы и программные средства автоматизированных испытании ИКП с использованием измерительно-вычислительных комплексов на базе современных персональных ЭВМ.

Методы исследования. Методическую основу диссертационной работы составляет системный подход к созданию интерференционно-кодовых преобразователей. Для теоретического обобщения исследования математических моделей сопряжений периодических структур, а так же сопряжений интерференционных и муаровых полос с кодовыми масками, построения и оптимизации технических решений использовались методы исследований, базирующиеся на теории оптико-электронных приборов, разделов оптики, информатики, метрологии, измерительной техники, теории множеств, теории математического анализа, теории вероятности и математической статистики, а также методы и программные средства искусственного интеллекта.

Основные положения, выносимые на защиту.

- ввод преобразуемых аналоговых величин в оптический тракт ИКП путем пространственно-временной модуляции положения комбинационных полос позволяет использовать в структуре ИКП растровые оптические усилители перемещений и оптические кодирующие устройства и обеспечить синтез оптоэлектроннкх аналого-цифровых преобразователей, превосходящих по чувствительности и быстродействию на порядок-известные зарубежные аналоги;

- формализованное описание сопряжения периодических структур в виде теоретико-множественной математической модели позволило получить новые, неизвестные ранее свойства сопряжений, заключающиеся в дискретности существования пространственного периода сопряжения, в существовании квантов относительного перемещения сопрягающихся структур, при которых набор фаз сопряжений элементов структур на ■периоде сопряжения неизменен, в сингулярности поведения коэффициента оптического усиления.перемещения нониусным сопряжением структур при изменении периода одной из структур и в существовании интегральных флуктуаций функции пропускания сопряжения на его периоде, что обеспечило синтез новых измерительных процедур.

Научная новизна основных научных результатов, выносимых на защиту, состоит в том, что исследованы и разработаны системные аспекты создания технических средств ИКП, позволившие предложить основные направления синтеза ИКП методом компоновочного проектирования с использованием баз данных и баз знаний и основные методики расчета и оптимизации параметров ¡¡ЯП с использованием Экспертных подсистем; исследованы и разработаны основы теории ИКП, включающие разработку математических моделей растровых и интерференционных сопряжений, анализ функции пропускания сопряжений, коэффициентов оптической редукции и оптического усиления перемещений, разрешающей способности, анализ интегральной функции пропускания на периоде сопряжения периодических структур; исследованы и разработаны группы методов интерференционно-кодового преобразования различных физических величин, использующих свойства сопряжений периодических структур в пределах одного или нескольких периодов функции сопряжения, что позволило разработать семейство ИКП, выполненных на современной интегрально-оптической элементной базе; разработано уравнение измерений и исследована группа методов оценки точностных метрологических характеристик ИКП с учетом коррели-рованности составляющих погрешности преобразования и изменения во времени параметров ИКП, включая имитационное моделирование разрабатываемых типов ИКП и их отдельных звеньев; разработаны интеллектуальные программные средства поддержки исследований и проектирования ИКП, позво;. ющие осуществлять оптимальный синтез ИКП , то есть создавать преобразователи с заданными"параметрами в не полностью формализуемых ситуациях.

Практическая ценность рез у"л ь т а тов работы. Разработаны математические модели формирования постранственно-временны;: периодических структур и основы теории их сопряжений с растровыми и растрово-кодовыми периодическими структурами ъ оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователях. Предложены процедуры ввода преобразуемых аналоговых величин ( механических и электрических) в оптический тракт преобразователей, методы ллектрической вотировки и способы уменьшения дополнительных погрешностей преобразования. Созданы основные инженерные методики синтеза и расчета конструктивных и метрологических параметров ИКП, а так же интеллектуальные программные средства поддержки исследований и проектирования. Разработано семейство технических решений !!Ю1, реализующих предложенные методы, защищенных 34 авторскими свидетельствами йа. изобретение. .Проведенные экспериментальные

- ь -

исследования разработанных средств и методов подтвердили практическую ценность и эффективность разработанных программных и аппа; ратных средств. Результаты исследований легли в основу проектирования измерительно-вычислительных трактов автоматизированных систем в -машиностроении, а так не разработки интегрально-оптических аналого-цифровых преобразователей с оптическими кодирующими устрой ствами.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в Ленинградском производственном объединении "Вибратор" при выполнении заданий общесоюзной целевой комплексной научно-технической программы ОД. 027 в 1984 - 198ь г. г., в Института проблей машиноведения Российской Академии Наук при выполнении плана НИР в 1908-1993 г.г., в Институте радиоэлектроники РАН при выполнении задания 2.3. проблемы 2.2.2 lül НТЛ СЭВ в 19<3!i -1990 г.г., в Санкт-Петербургском институте водного транспорта при разработке оптико - электронных приборов, в Волгоградском районе гидротехнических сооружений Волго-Донского канала им. В. И, Ленина при определении состояния шлюзовых камер, на Вильнюсском заводе электротехники (ВЗЭТ) при испытаниях измерительных модулей КАМАК и в Леноблэиерго для автоматизированного испытания и диагностирования электроооорудования.

По данным промышленных предприятий и организаций, использующих указанные разработки, общий, подтвержденный результатами использования, экономический эффект превышает 500 тыс. руб. в год,

Алпробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 5 Международных и 23 Всесоюзных симпозиумах, семинарах, конференциях и школах в период с 1975 по 1993 г.г.

Публикации. По материалам диссертационной работа опубликовано 96 научных работ, из них 34 авторских свидетельств на изобретение.

Структура и объем работы: Работа содеркит введение, шесть глав, выводы, заключение, список литературы, включающий 231 наименование, к приложение. Основная часть работы изложена на 309 страницах машинописного текста.- Работа содержит 121 рисунок и 18 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение. Обосновывается актуальность проблемы, сформулирована цель работы, приведены-рсновные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Интерференционно-кодовое преобразование излучения.

Рассмотрено современное состояние контрольно-нзмерителышх средств машиностроения как основного элемента измерительно - вычислительных трактов автоматизированных систем, которая в нашей стране существенно отстает по объе;.:у и уровню развития от аналогичных средств, используемых в развитых капиталистичйск"х странах.

Современное состояние измерительной техники характеризуется использованием в большинстве случаев первичных преобразователей контактного типа (тензоыегрических, индуктивных, пьезоэлектрических, пъезоразистивньк) и вторичных, аналого-цифровых преобразователей электронного типа на базе'кремниевых интегральных схем с ограниченной производительностью, слабой помехозащищенностью и недостаточной по составу и номенклатуре для эффективного решения задач автоматизации исследований, испытаний, контроля и диагностирования в современном машшостроеиии. Использование автоматизированных информационно-измерительных систем ограничивается относительно высоким уровнем производственных помех, низкой квалификацией . обслуживающего персонала, широкой номенклатурой измеряемых и контролируемых параметров.

Решение задачи может осуществляться разработкой зкономи--чсски оправданных, высокопроизводительных измерительных средств с цифровым выходом, наилучшим образом приспособленным для сопряжения со средствами вычислительной техники (СВТ) автоматизированных систем, имеющихся ч бурно внедряемых на производстве.

В настоящее время для высокопроизводительных дистанционных измерений и контроля параметров и характеристик объектов машиностроения. наибольшее распространение получили оптические и оптико-электронные методы преобразования последних в аналоговые электрические сигналы. Однако в условиях машиностроительного производства, характеризуемого высоким уровнем внеаших помех (вибраций, запыленности, тепловых И электромагнитных полей и др.), предпочтительнее интерференционно к растрово-оптические методы 'реобразова-ния измеряемых параметров в цифровой код, особенно оптический, использующие ' растровые сопряжения с оптическими кодирующими устройствами (ОКУ). Они могут быть положены в основу построения большинства измерительных методов и средств для бесконтактного автоматизированного контроля параметров изделий мг .'иностроеиия, как во ■ встроенном технологическом контроле, так ,и межоперационном, вход-кок и выходном контроле.

Традиционно считалось, что разрешающая способность и быстро-

действие кодирования измерительной информации зависят в основном от соответствующих параметров электрических кодирующих устройств; Однако проведенные исследования методов оптического кодирования показали возможность разработки измерительных и кодирующих процедур, превосходящих по своим основным характеристикам традиционные методы. При этом, для повышения разрешающей способности ■ мояно использовать известное свойство оптического усиления перемещения с помощью сопряжения периодических структур, то есть интерференции, так как '1ри оптическом кодировании в код преобразуется пространственное располоаение интерференционных (муаровых) полос. Это позволяет использовать для ввода в оптический тракт преобразуемой аналоговой величины современные модулирующие средства интерференционного, растрового Или дефлекторного типа, смещающие световые периодические структуры, образующиеся на их выходе," относительно кодовой маски ОКУ на соответствующую величину. В этом случае интерференция может быть использована дважды. Один раз: при ввода преобразуемой аналоговой величины в оптический тракт и второй -при сопряжении периодической структуры на выходе модулятора с периодической структурой ОКУ, являющегося по сути пространственно-временным преобразователем света (ПБМС). Преобразователи, со Держащие узлы пространственно-временного преобразования света в сочетании с интерференционным и кодовым преобразованием названы в работе интерференционно-кодовыми преобразователями (ИКП).

Однако широкого распространения такие йреобразователи пока не получили ввиду сложности и слабой проработки процессов их проектирования и изготовления, а также из-за недостаточности теоретических исследований сопряжений пространственно-временных структур, которые в основном ограничивались изучением моделей, в которых сопряжение представляет собой геометрическое место точек пересечения систем линий.

Использование указанных моделей позволило получить уравнение средних линий комбинационных полос, изучить их расположение, найти расстояние между ними, названное шагом муаровых полос, определить для отдельных случаев вид функции пропускания и коэффициента оптической редукции. Следует отметить, что полученные в разных случаях выражения для нахождения шага комбинационных полос и коэффициента оптической редукции у различных авторов различаются. Это объясняется свойствами выбранной математической модели, в которой на определена базовая система отсчета и толщина линий исходных растров бесконечно мала. Использование указанных выражений в отдельных

случаях приводят к значительным погреаностям. Вместе с тем, но проводилось должного исследования вопросов дискретности и изотропности слойетв сопряжений, разрешающей способности растровых звеньев, оценок точностных характеристик, особенностей ' е-опряисиий структур с элементами сложной гсокбтрической формы и особенностей, сопряжения муарових полос с растровым; кодовыми масками.' Кроме того, широкое использование муаровых истодов в машиностроении сдерживается не полнотой инженерных методик расчета и енг.тоза пространственно-временных преобразователей с: задшшыки характеристиками, расчит.чаных на использование современных средств вычислительной техники, снабженных интеллектуальными программными средствами.

Глава 11, Основы теории интерференционно-кодовых преобразований .

Для описания процессов интерференционно-кодового преобразования измеряемых параметров разработана теоретико-множественная модель, описывающая взаимодействие всей совокупности последовательно . оптически связанных блоков прострапстпак-'о-временного преобразования излучения:

- г Ъ л.у

ци.Ь.а) » (!лК)1Л.и,Нцвч,(а))«д,)®...еч ) ,

■р А 2. з п

где: - выходная величина преобразователя; Кх,1,и) *

- распределение ин"'шешшостн света в угловом поле зрения нреобра* зоватсл^я; а - преобразуемая величина;. - функционал, описывающий действие блока фогопрнокникоы; (] ■ - характеристики элементов преобразователя;& - тип взаимодействия очередной пары Элементов преобразователя; I - время; и^- синхронизирующий сигнал; х -обобщенная координата, П, где Г1 - множество, описывающее геометрическую форму углового поля зрения преобразователя .

У большинства ИКП имеется три блока пространственно-временного преобразования излучения (модулятор, оптический ус! «тель иере-иеченнй и оптическое кодирующее устройство):

'Лт.

где: Т - врикя запоминания всех точек ьространствевно-времен-»юй структура, й/ - мно&ество, описываии^е распределение интенсивности излучения в алеиентах структуры, I - момент времени нао-

лодекк«, и - угравлдтацпй сигнал, ил, - сигнал на входе. У ^л

- о .

Процесс параллельного форииротнип всех точек пространствэп-

но-времеышх структур в блоках- ИКП осуществляется либо путем прок

пускания енота через растроило структуры, либо путем интерференции

когерентных ноли, что л обцем виде будет: „ -V

1 (х Л, а . и ) - I (х, 1,, и ) I. {\\л ) , т < ь т IV

где функция пропускания блока, соответствующая структуре В^. .

Процесс последовательного формирования рсех точек пространственно- временных структур в блоках 1Т1Ш осуществляется путей прерываня;- и.сканирования луча снета, что в общем ниде будет:

X (хД) - I (к,1,ц ) ( Я"1 (1-) цт(ь) ( х - Ъ ) .

г>1 С гч ¿ц т "

где: - масштабный коуффп-.'иент преобразования, ит - траиспонн-рованпан ортогональная .матрица, описывающая Поворот исходного вектора, 1 - вектор смещения луча сканирующим звеном. В случае перио-г4. (1 "Г

дичпости/. (С),р(Ь), и (Ъ) и 1(Ь) структура X при Т соизмеримой с

указанной нроиенпой периодичность», так же соотлсгств_ует структуре

В, . I

13 ИКП полученное на нмходе оптического кодирувщего устронста (ОКУ) световое поле мокот преобразовываться с помощью фотоприемника в электрический сигнал, который затем обрабатывается в электронной схеме преобразователя для получения нормированных значений уровней логической единицы и логического куля. Обработка информационного сигала и(х,Ь.и) при этом базируется на амплитудных оценках вида:

4 -г. и(хД,а) - "й<х,Ь,а)$"£ где: и (х,Ь,а) - инверсный сигнал ОКУ, снимаемый с выхода, у которого прозрачные элементы заменены на непрозрачные и наоборот, -- заданная величина. Тогда в тех рарядах ИКП, для которых^ в выходном коде будут единицы, а в тех, для которых в выходном'

коде будут нули.

Изучение функции пропускания двух сопряженных периодических структур в- случае описания элементов структур в ' виде прозрачных элементов произвольной формы в работе осуществлялось с помощью теоретико-множественной модели, периодические структуры в которой образуются путем одинаковых сдвиговых преобразований, а элементы описываются функционально: ■=• £ ч^А,, £ Т А и4<: Ь^,

В

[Л1.иг /Д£йЛ и,бь|,

где Ъ - X, Ь ? X - множество точек элементов структур В., В ;

"12 * А (с

- периоды структур; Т-6, X - произвольное непустое кнокест-

. во ; G - группа сдвигов с коночным числом образующих б., ß.••.> g

2. i]

Сопряжение таких структур Судет равно: 3 Г»Л g . В .

1 t ~

Изображение интерференционной картины и атом случае моает быть найдено при рассмотрении преобразования вида: ■SCR) п} , где SICK .

При этом период" рассматриваемой функции: 'Г """ \ г " >

где ^, Т1^ " периоды (шаги) структур, а с • наибольший общий делитель чисел с » НОД^АД), р общем случае отличается от шага комбинационных полос: j )

и = TxT^TTi

При 1 период Т комбинационных полос совпадает с шагом il ( Т

= I! ) . В противном случае использование вага вместо периода дает ониСку тем Оольиуя, чем больше I f i /

^taü ~ е 1

Анализ периодичности интерференционной картины, полученной

при сопряяоинн двух периодических структур с элементами произвольной формы, показал, что периодичность картины возникает только при выполнении условия соизмеримости периодов исходных структур. Причем при нониусном сопряжении периодичность возникает тогда и толь--ко тогда, когда найдутся гакле перемещения X , что имеет место:

з * fi ill^ eV

где: М - натуральный ряд положительных чисел, X - наименьшее расстояние между элементами сопрягаемых структур с периодами "f" и S .

На основании полученных результатов разработан метод нахождения периода одной структуры по значении периода другой структуры и периода их сопряжения. Изучение периода сопряжения диух структур, расположенных с зазором мряду собой, позволило определить.условия инвариантности периода отностктельно группы возможных перемещений точки наеппдения.

Полученные в диссертационной работе ныракения для .ага комбинационных . полос позволили сформулировать новые процедудуры ввода преобразуемой'величины в оптический тракт ИКГС и описать фундаментальное свойство явления муара, заклсчаюцееся в увеличении комбинационного периода и шага по отнопенин к исходному С мультипликация периода ), в усилении скорости перемещеь>ш комбинационных полос при относительном перемедениии сопряга^чьгх структур ( опческая редукция) и В'оптическом усилении перемещений полос при перемещении структур.

В связи с тем, что, как было установлено, период комбинационных полос отличается от гспга, надо отличать коэффициент мультипли-

кации периода;

к,' {

г

5

от комффициецта мультипликации иага, и поворота будет: f

при А ~ Я { при X - ^г который при осутствии зазора

<г -

при наличии зазора й будит

/А,- А, I

А,

/Ач -

Г А. Ь

при

при

А - Д1 Аг

при д - ;

(Г

F__

/zO,-

при р, - Д

и, наконец при наличии и зазора £ и угла поворота ft относительно оси визирования будет:f F Cpi fb

V

ЩУ

I'

ПР"Д = Pi/

при /I - А г. ■при Д4= А г.

I 'ЯЬ./юЪ I

A, F cos ft

F срм'Ь ,/g

где Р - фокус/юс расстояние оитическсТи системы

Анализ коэффициента оптичской редукции скорости позволил выявить инерционность системы сопряжений периодических структур и, определить обобщенное выражение этого коэффициента:

^ i AT^-Tl^ ifl 2) = ^^ -/#})

где:',\(< ■• шаг 1 -ой структуры Д. > С, сё II , К - натуральный ряд чисел, f номер подвижной структуры, ! • J и - целая и

дробная части отношения , слаженно (i л 1)осущестидяется по mod 2

Коэффициент оптического, усиленна перемещении муарового сопряжения структур: . \ л'и ( U* -IУ = _

где: ^э - угол к оси X, под которым-перемещается подвижная струк тура ( ось X направлена параллельно элементам неподвижной структуры ); oL - угол к оси К, вектора, указывающего направление, вдоль

которого анализируется смещение комбинационных полос; ДиА,,- по-

Ч rf

риоды подвижной и неподвижной структур соответственно, максимален, когда сигнальная (подцижная) структура перемещается перпендикулярно направлению се элементов, а перемещение комбинационных полос

- 12 -

анализируется в направлении перпендикулярном к ним.

Проведенный в диссертационной работе анализ попнусных сопряжении показал иооднаэначкосач» понятия коэффициента усиления, что связано с дискретность» перемещения комбинационных полос и коопре-делонностьы направления персио.щек.гя. Поэтому в работе цредллгаст-ся за преобразуемое' направление перомоще-ния принимать .'го, пс> которому коэффициент усиления минимален. Однако п при этом условии зависимость коэффициента уснения от псряодои сопрягнедчхол структур носит сингулярный характер. Такой яе характер имеет и зависимость от периодов структур диапазона преобразования, определяемого как пеличина максимального смоления сигнален ой структур».!, при котором комбинационная полоса смещается не более, чем i;a свой ¡aar.

В работе синтезирована алгоритмы вычисления коофф;а;;юята усиления и диапазона преобразования по изпос.тш.ш периодам сопрягающихся структур, а так же ниявлины три частных случая, допускающих простое вычисление'диапазона и коэффициента усиления при ^t^^j. и , /\ i - взаимно-простых числах:

1) если S- , то: ¡/ - ^ t

2) если ~ 2 и ^ -нечетное число, то:

и - S(rrQ , Кус ~ — - •

3) если •= Р и 0 рт-f) . то:

p-ri -

Дискретный характер поведения коэффициентов оптической редукции и оптической мультипликации при попиусиом сопряяении указывает на конечный характер разрешающей способности растровых преобразователен. В зависимости от отношения иага к длине £ прозрачной части у.ремонта i -ой структуры, то есть от скважности fy. - - i предельное разреаепие )ipu покст Гшть найдено из вира; пия: 4 fj-r + при с

Откуда видно, что при относительном перемещении структур на величину х ч< S муаровая картина не будет меняться. При этом так же замочено, что при определенном соотношении между шагами структур и .длинами кх элементов, комбинационные пол*, в картине сопряжения могут вообще пропадать при перемещении структур относительно друг друга на величину:

^< а, - с ч - ■ е,

при этом величина зон:; "молчания." монет быть найдена из пырааения:

Пропеденкчй спектральный анализ функции пропускания растрового соьртаония показал со соответствие ямплитудпо модулированной периодической Функции, рол;, которой выполняет функция пропускания иторого гю коду лучей света растра. При этой амплитуда, то есть мнтопйиииостъ я изображении штрихов, модулируется согласно огибающей, 1)1)одстаплнк1л;он комбинационные полосы. Это позволяет определить явление vy.ipa как результат взаимодействия фотоприемника с интерференционном ИЗОбрОЖОНКСМ .

Такой подход к определению ячления муз-ра позволил выялить ранее но изученное свойство муара оптической редукции функции пропускания сопряжения диух прозрачных олсиантог. периодических структур. Теоретические. и экспериментальные исследования указанного свойства позволили не только описать его,, но и сформулировать обратную задачу, то есть задачу синтеза периодической структуры, заключающейся в определении периода расположении л формы элементов одной структуры гю известный периодам второй структуры и функции их сопряжения, а так ка формы элементов второй структур! и закону изменения величины сцетсиого потока от взаимного сдвига структур на.

где: ^(ж") - искомая функция, описывагощия крля прозрачного элемента структурыf-Pftí,*) функция, описывающая края прозрачного элемента заданной структуры Л (Q)- заданное интегральное значение нормированной функции пропускания сопряжения диух элементов сопрягаемых структур на интервале 1 -a, a ], соответствующем протяженности большего из' сопрягаемых элементов.

Экспериментальные исследовании показали непосредственную связь свойства оптической редукции функции пропускания сопряжения двух прозрачных элементов периодических структур с фазопики хара-керистикаки сопряжений. Их изучение позволило обнаружить свойство постоянства полного набора фаа сопряжений элементов при фиксированных сдвигах, что хорошо согласуется со свойством дискретности .коэффициенте!) оптической редукции и оптической мультипликации, отмеченным автором ранее.

С помощью гармонического анализа интегральной функции пропускания растрового сопряжения выявлено повое свойство, заключающееся в наличие на периоде сопряжения переменной составляющей,

названной в работе интегральной флуктуацией, параметры которой зависят от геометрической формы элементов структур и параметров их цзаикных перемещений.

В работе теоретически и экспериментально определено влияние различных параметров сопрягаемых структур на спектр флуктуации, В частности была обнаружена инвариантность спектра к ноьаротам элементов структур и пропорциональность амплитуд составляющих спектра размерам элементов структур.

Кроме того проведена оценка влияния степени нелинейности взаимодействия периодических структур на спектр флуктуации к обнару-иен случай ее отсутствия при линейном взаимодействии структур с гармоническими функциями пропускания.

Глава 111 Формирования основных процедур в интерференционно- кодовых преобразователях

Рассмотрен ряд методов к средств осуществления процедур при интерфоропциокно-кодовых преобразованиях геометрических, кинематических и электрических параметров машиг и механизмов.

Проведенные теоретические н экспериментальные наследования и обобщение основных положений теории сопряжений периодических структур позволили пыявить ряд новых свойств интерференционных нолей сопряжений периодических структур, которые: послужили основой для разработки ряда оригинальных процедур ввода аналоговых величин р оптический трак" оптического усиления, кодирования, юстировки и корректировки.

Сущность процедуры-ввода аналогового электрического напряжения и в оптический тракт 1!КП интерференционного типа заключается в изменении фазы или угла падения сигнальной волны с помоа;ью модулятора и сопряжении ее с опорной волной. Проведенный анализ характеристик модуляторов показал, что наиболее высокие снорости преобразования ■ :(порядка 10 с) способна обеспечить гуюктооптическая технология .

В диссертационной работе проводится анализ влияния конструкционных параметров средств осуществления указанного метода на параметры образующейся пространственно-временной периодической структуры в поле зрения оптического усилителя.

Для ввода в оптический тракт ИКЦ интерференционного типа механических параметров молшо использовать различные светоотражающие элементы, связываемые с преобразуемыми параметрами.

Этот ме*од может найтн применение при измерении перемещений,

деформаций, вибраций к др., что показано п диссертации на примерах Нескольких разработанных автором схемных реиений, защищенных авторскими сиидотелъ'етйаг',и да изобретения.

При формировании процедуры ввода в оптический тракт ИКП растре г, о г. типа механических и связанных с ними других физических параметров можно использовать высококачественные растры, в том числе с управляемы« геагом на структурах фотопроводояк - жидкий кристалл (ФП-"К) или МДП-ЗЙГ, снязыуаемыо с преобразуемыми параметрами механически или оптически.

Реализация этого истода рассмотрена на ряде оригиналиных схем преобразования переиецехиш, дефорж-дий, температуры, сопротивления и др. Примером растрового модулятора с входной аналоговой пеичиной в виде напряжения электрического тока или частоты мотает Сыть модулятор, у которого сигнальный растр выполнен в виде 'ультразвуковой ячейки. Применение голографических растровых модуляторов, как показано' в диссертации позволяет улучшить метрологические характеристики и функциональные возможности ИСП.

Использование при вводе преобразуемой величины в оптический тракт ИКП растрового типа дополнительного сканирующего звена позволяет значительно расширить номенклатуру прообразуемых параметров , как показано п дкссортициолой работе на примере ряда новых схемных решений. Рассмотренные методы и средства ввода преобразуемой величины в оптический тракт Ш(П растрового типа показали широкие возможности использования таких ИКП п системах автоматизации машиностроительного производства.

Сущность процедуры ввода аналогового электрического напряжения и оптически"! тракт ИКП дефлекторного типа заключается в изменении направления светового потока с помощью дофлекториого модуля-' тора и последующим преобразованием в растр с помощью■оптического делителя или сканирующего звена с прерывателем. В первом случае шяг растра определяется шагом расположения элементов делителя, а его положение величиной преобразуемого напряжения.

Во втором случае расположение растра определяется также, а шаг растра, выраженный в угловых величинах, определяется соотношением частот сканирована и прерывания'.

При рассмотрении технических возможностей этого метода анализировалось влияние параметров дефлекторов на чувствительность и диапазон ИКП.

При вводе в оптический тракт 5ПШ дефдакторного типа кинематических параметров, таких как угловы« и линейные перемещения, ско-

рости вращения, амплитуды вибраций и биений и др., последние связываются с делителем, сканирующим звенои или прерывателем, а напряжение на дефлектор подается в виде сигнала обратной связи от блока фотоприемшхиов, как показано в диссертации на примерах нескольких разработанных автором схем реализации такого компенсационного метода преобразований.

Сущность процедуры оптического усиления перемещения сигнальной периодической структуры, образуемой в результате ввода нреои-разуемой аналоговой величины л оптический тракт, заключается в сопряжении ее с другой, эталонной или опорной периодическон структурой. При этом перемещение комбинационных полос сопряжения будет больше, чем перемещение сигнальной структуры. Коэффициент усиления перемещения зависит от типа сопряжения, характера перемещения сигнальной структуры, параметров сопрягаемых структур, а также параметров и координат расположения средств наблюдения комбинационных полос.

В диссертационной раооте'на основе проведенного анализа вариантов выполнения растров оптических усилителей сформулирован перечень требований к их параметрам и даются рекомендации по применению. Предлагается оригинальный способ формирования регулируемого растра со спирально!! формой его . элементов путем интерференции акустических волн в жидкости при соблюдении условии:

А сА. - - + г»ЦГ

где:

"разность фаз интерферирующих волн, - разность

углового расположения источников волн, П - число источников волн, ГУ) С ^ . Л/ • ряд положительных целых чисел.

Кроме того рассмотрен ряд других схемных ревений звена оптического усиления и показана возможность совмещения его функций с функциями оптического кодирующего устройства. Использование оптических .усилителей в 11К11 позволяет на два порядка повысить их чувствительность.

Сущность процедуры оптического кодирования заключается в сопряжении пространственно-временной периодической структуры, образуемой на выходе звена оптического усиления, с пространственно -вре ценной структурой оптического кодирующего устройства (ОКУ), элементы которого расположены в соответствии с требуемым кодом, например параллельным двоичным. При таном ссяряаении положение полос преобразуется-в оптический код.

§ управляемых ОКУ значение выходного оптического кода опреде-

дяется не только взаимным расположением элементов ОКУ и падающих на них полос света, но и функцией пропускания С1ГУ, формируемой в соответствии с сигналами управления 17 олсментов пга ОКУ,

В диссертационной работе рассмотрен ряд неуправляемых и управляемых ОКУ, нцпо-'шешшх в я.чде ма<:ок, набора свотоволокол, голограмм, а также управляемых трансноршггоп па базе просрапствон-по-временных преобразователях спета. Па базе анализа тре.бавний к иарапетрдм и характеристикам ОКУ даются рекомендации но их выбору, а такяе но ныбпру методой и схсц управления элементами ОКУ.

¡Громе? того в диссертации р-юсмотранм методы и сродства юстировки нуля и корректировки выходного кода ШСП путей перемещения периодической световой структуры мехавичоски или злектрическим нолем и нутом переключения олсмолтоц ОКУ с поиоцыо блока управления. Проанализированы возможности указанных методов, дани рекомендация по их использованию и припедсн ряд схемных реализаций. Показаны возможности использования корректирующих схем для уменьшения дополнительных погрешностей приобразоннил л ИКИ, Предложена оригинальная схема нормирования гшрамсгроо оптического параллельного двоичного кода на выходе ШСП.

Глава 1У Особенности оценок метрологических характеристик интерференционно-кодовых преобразователей.

[Ыссмотреиы особенности оценок метрологических характеристик 1ШЛ, связанные с учетом характеристик сопряжений периодических структуп, случайных отклонений параметров звеньев ШСП и коррелиро-канности их составляющих, а так же особенности использования имит-цошшх моделей ИЯП для оценки динамических погрешностей и программных средств для автоматизации метрологических испытаний.

Пазедым обьсктои описания и анализа метрологических характеристик ИК11 является измерительная процедура, представляющая собой последовательность измерительных преобразований входного воздействия^ Ь) . Степень детализации описания измерите.'ьной процедуры определяется числом учитываемых элементарных измерительных преобразований .

В ИКП измерительная процедура, как правило, состоит из операций ввода аналоговой измеряемой величины в оптический тракт, то ость модуляции, опти,,еского усиления перемещений, оптического кодирования, фотоэлектрического преобразования с нормированием и переноса кодовой комбинации в выходной регистр.

В работе показано, что результат измерительных преобразований

можно выразить в вида следующего обобщенного уравнения измерения; ^■тоЖ

где:[п ~ "гтг - коэффициент масштабировании, И- - число разрядов ОКУ,

Кя и Т • пяредагочгый коэффициент и постоянная времени ког.шарато-'>ч —-

ра-нормализатора, и - передаточный коэффициент и постоянная времени фотопреобразоватсляй, Ку • передаточинй коэффициент оптического усилителя перемещение, К - передаточный коэффициент модуля-

тг -г

тора, Ц и время запаздывания в оптическом усилителе и ОКУ,

'постоянная времени модулятора,- время дискретизации, Д - иитер-вал квантования, 9. ~ число отбрасываемых разрядов.

Ото уравнение может служить основой для проведения метрологического анализа с определением причин возникновения погреяшозти. Каждое элементарное преобразование вносит свой вклад и полную погрешность, которую в случае независимости случайных составляющих можно выразить в виде суммы компонент, каждая из которых порождается одним из выполняемых элементарных преобразований.

Установлено, что анализ погрешностей параметров пространственна- временных структур, падающих на поверхность ОКУ, сопря-ясн с больиим разнообразием рассматриваемых вопросов. При этой составляющие суммарной погрешности отыскиваются в /шдо аналитических выражений их среднекнадратйческих аначений. Суммарная погрешность в случае независимых величин находится алгебраическим суммированием, но при коррелированное™ погрешностей требуется вычисление ковариационной матрицы, что представляет определенную трудность, В диссертации изложена методика расчета погрешности при коррелировяшюсти ое составляющих, позволяющая строить ковариационную матрицу и определять дисперсию выходной величины в виде суммы всех элементов ковариационной матрицы.

Проведенный и работе анализ влияния случайных погрешностей в ширине и шаге комбинационных полос и элементов ОКУ на значение выходного кода ИКП позволил определить условия налагаемый на точность изготовления звеньев ИКП в виде неравенств,■соблюдение которых исключает оаибки кодирования как .при равномерном, так к яри нормальном распределении влияющих на параметры звеньев ИКП случайных величин. Кроме того о работе рассмотрен ряд методов и средств уменьшения ошибок кодирования при несоблюдении указанных условий.

Для оценки динамических по)^ешиостей преобразования разработаны имитационные модели ИКП. В базовой модели используется растровый модулятор, а блок фотоприомииков совмещен с оптическим кодирующим устройством. Результат преобразования в этой модели опреде-

ляется ф) I K(X,Í)S(^t~CV)c(zPÍ-l:

с,~->J гЧ ИЛ -<*>

где Ъ(зс, 1-у-дифференциальная чувствительность блока фотопреобразо-

пателсй, ¿f(i)~ область излучения источника света, К(хЦ)спстаипе поли на иыходо ОКУ, t - кокенг наблюдения, I - время запаздывания.

Динамические погрешности и данной модели имеют две составляющие. Основная динамическая погрешность обусловлена изменением во времени самой прообразуемой величины, а дополнительные; - измененном па/, ¡.метров элементов "КП и-окруишицсй среди. Уравнение динамической погрешности, вносимой каким-либо параметром схемы ШШ, будет: ^

где Ü({ -r 'L) - преобразуемый параметр.

На основе базовой модели созданы модели, учитывающие: распределенный характер источника излучения, стохастический характер изменения параметров, волковуы природу излучения, релятииисткие явления при изменении параметров ШШ, Другие созмоиные модели ИКП легко получить путем пересечения и объединения рассмотренных.

При интерференционно-кодовом преобразовании информационным Параметром является изменение положения комбинационных полос в зависимости от преобразуемой величины. Поэтому анализ характеристик сопряжения, влияющих на результат преобразования, сподится к анализу геометрических характеристик комбинационных полос.

При этом установлено, что размер оптического кодирующего устройства ( ОКУ ) по оси X, направленной перпендикулярно комбинационным полосам, падающим на него, надо вибирать из условия:

# = (A/-4)H+d.

где: )t - число квантов на диапазоне преобразования, II - шаг расположения элементов в ОКУ по оси X, равнин интервалу квантования А^ , d - размер элементов ОКУ по оси X.

Кроме того, для обеспечения правильности кодирования необходимо выполнение следующих неравенств:

' Тк<-н и Lfe 2 i(h,-l)rC

где: L - длина комбинацкоикык полос п направлении У, в - шаг

¡i.

расположения элементов ОКУ по оси У, с - размер элементов ОКУ по оси У, ПГ^ - ширина комбинационной полосы.

Очевидно, что интервал квантования соответствующий разрешающей способности ИКП, зависит в основном от коэффициентов оптического усиления сопрягающихся структур и ограничивается из энергетических сообракений минимально допустимой плащадьп элементов ОКУ S . í-e/c » связанной с чувствительностью фотоприеикикоя. t

Многократный синтез различных ИКП с помощью интеллектуал!,них

программных средств покакал, что к ряде случаен не удастся выполнить приведенные рьшс неравенстна. Тогда необходимо либо увеличивать изображение падающее па СКУ, что нриодит н увеличению габаритов ИКП, либо обеспечить нолиусиое сопряжение между комбкпяцинннк-Мн полосами л столбцами элементе!) ОКУ, что ириг.одит к необходимости соблюдения следующих порапеястн:

<1к«К ^ * 4 , А •= С- <)"+<*■ * т= К Н

где: И Д°лашы бить , .¡мимно-простыми числами, а Т - период сопряжения структур с патами!» И.

' ы

Установлено, что диапазон перемещения комбинационных полос 1.1^. соответствующий диапазону де^екпщения сигнальной структуры 1) может быть меньше шага кокбинационинх полос (1Э ~ К В этом случае для ОКУ Необходимо соблюдать неравенство:

/7 г (#-4)Н + (1 * Кус Куе Ъ

Где: коэффициент усиления нониусного сопряжения комбинаци-

онных полос с элементами ОКУ.

Число квантов в диапазоне преобразования, равное числу отсчетов : С С "Г

при С- i ) с - О

С - - 4

при -

где: К - цело« число, подбираемое из М при вычислении коэффициента усиления; с -- к 'и к - левый я правый коэффициенты усиления

Цена деления Н единицы наименьшего разряда кода, в котором представляется результат преобразования, выбирается из соотношения:

м- Кус ^ - ~ м „ .. ^

где Число £ /V задается из условия:

где:^) - разрешавшая способность, 11 - число рарядои выходного кода преобразователя, С. ' "3 " иелая часть.

Для обеспечения статистических испытаний предложенных имитационных моделей ШСП , а также реальных ИКП или их отдельных узлов в диссертационной работе предложены программные средства для генерации сигналов и помех, способ тнующис автоматизации определения погрешностей н вероятностей ошибок и сбоев в работе ИКП. Рассматриваются примеры применения этих средств.

Глава У Методика расчета параметров оптического тракта интерференционно-кодовых преобразователей.

Получены инженерные формулы для расчета, геометрических параметров звеньев оптического тракта и правила выбора остальных параметров этих звеньев.

Установлено, что общем случае оптический тракт ИК11 содержит источник света, модулятор, оптический усилитель перемещений, оптическое кодирующее устройство и блок фотоприемников, геометрические параметры которых в процессе расчета долины быть согласованы. При этом для согласования звеньев между собой между ники целесообразно з ряде случаев устанавливать согласующие оптические системы на цилиндрических линзах.

Показано, что расчет ИКП целесообразно начинать с выбора типа модулятора и расчета его параметров, так как он является ключевым элементом, определяющим во многом параметры остальных звеньев. При этом анализ параметров модуляторов показал, что по требуемым выходным параметрам ИКП нельзя однозначно выбрать тип модулятора и необходимо привлекать дополнительные данные, характеризующие технологические особенности предполагаемого изготовителя ИКП, а в ряде случаев и экспертные знания опытных проектировщиков. Поэтому часто дальнейший расчет ИКП приводит к необходимости возвращаться к выбору модулятора многократно, что говорит о целесообразности автоматизации расчета ИКП с использованием методов и программных средств искусственного интеллекта.

В оолылинстве конструкций ИКП выбор источника света сводится к выбору одного из типов лазеров, из которых полупроводниковые предпочтительнее, так как имеют меньшие габариты. После выбора источника можно выбрать фотопреобразователь, исходя из того, что световая мощность, ладаедая на него должна вызывать ток, превышающий шумовой.

При выборе оптического усилителя перемещения следует исходить из того, что муаровый усилитель предпочтительнее всегда, когда он обеспечивает требуемое усиление, так как его расчет проще и он технологичнее. После расчета параметров усилителя необходимо проверить возможность изге.овления эталонного растра с полученными параметрами и при отрицательном результате рассчитать параметра цилиндрической линзы устанавливаемой перед эталонным растрои для согласования параметров падающей на эталонный растр световой структуры .

Перед расчетом геометрических параметров ОКУ целесообразно

- 22 -

оценить следующее неравенство: __ _

I с

к" V

где: с - »сйниягптБШ) возможный по условиям дифракции или технологии изготовления размер элемента ОКУ по оси У, сЦ - диаметр фоточувствительной площадки фогопреобразователя. - ширина падающей на ОКУ комбинационной полосы.

Если это неравенство не выполняется, то перед ОКУ необходимо установить согласующую опти .ескую систему, например из двух цилиндрических линз.

Проведенный в работе анализ параметров различных ОКУ показал, что среди неуправляемых ОКУ при прочих равных условиях целесообразно использовать фотокодовые маски, как самые дешевые, а среди управляемых - пространственно-временные модуляторы на жидких кристаллахб как самые распространенные и опробованные.

При использовании в ИКП сочетания дефлекторного модулятора с волоконно-оптическим кодирующим устройством необходимо выполнять неравенство: п „ г—---

С,* * 6? - агат |JnfTfiT

где: п4и п^- коэффициенты преломления сердцевины и оболочки волокна, и, и D - диаметры волокна на входе и выходе ОКУ, ч^ - максималь-

1 г. /я «х

ный угол отклонения луча света на выходе модулятора.

Для максимального обеспечения возможности ИКП по быстродействию показана целесообразность выполнения блока фотопреобразо-вагелей в виде линейки лавиньлх фотоприемников, согласуемой с ОКУ с помощью оптической системы из двух цилиндрическиз линз.

Кроме того показано, что функции согласующих оптических систем могут выполнять световолокна с фоконами. Даны рекомендации по энергетическому, спектральному и пространственному согласованию звеньев HKll, оптимизации их геометрических параметров и приведен пример использования разработанной методики для расчета оптического тракта ИКП дефлекторного типа.

Глава У1 Вопросы автоматизированного синтеза, интерференционно-кодовых преобразователей.

Рассмотрен ряд вопросов создания автоматизированных средств для синтеза интерференционно-кодовых преобразователей. Задача синтеза интерференционно-кодовых преобразователей с заданными свойствами, из которых основными являются точность преобразования, разрядность выходного кода, разрешающая способность, время и диапазон преобразования, заключается в выборе рациональной схемы под

заданный тип прообразуемой величины, подбора звеньев этой схемы и расчете их основных, и основном геометрических, параметров.

Выбор рациональной схемы ИКП базируется на их классификации по типу преобразуемой входной воличипы, по типу сопряжения модуляторе» с оптическими кодирующими устрокптном, по ткнам используемых модуляторов, а так же в зависимости от физических эффектов, используемых для переноса изменения входной аналоговой величины в изменение оптической пространственно-временной структуры.

Для эскизной проработки вариантов ШШ целесообразно использовать разработанный глнтоматязироиашшй справочник ИНП, в котором имеется сведения об. известных схемах ИКП и их элементах и даны рекомендации по применении и расчету параметров, н тем числе и расчетные формулы. Особенностью указанного справочника является наличие в ком графического материала в виде структурных и оптических схем преобразователей и их отдельных элементов. В справочнике реализованы режим интерактивного взаимодействия По тлпу "ff-кю" и возможность пополнения базы данных.

Учитывая многообразие схемных решений ИКП, большое число сочетаний элементов схем между собой, а такие необходимость анализа результатов расчет параметров и условиях неопределенности, когда то или иное значение одного параметра влечет за собой некоторый набор рекомендаций с разным значением коэффициента достоверности для каждой рекомендации, в диссертационной работе рассмотрены разработанные под руководством автора интеллектуальные праграммн'-с средства, позволяющие автоматизировать процесс синтеза ИКП с заданными параметрами.

Для поддержки проектирования ИКП й долом в диссертации предлагается использовать экспертную систему (ОС), созданную па базе доступной и достаточно эффективной оболочки "ИНТЕР-ЭКСЯЕРТ" Структура системы основывается на иерархически построенных "меню".

Содержания правил бази знаний основываются на результатах проведенных в главах 11, 111, 1Y и V диссертаций исследований ffря>' цедур, свойств и характеристик ИКП. 13 результате анализа npamft? система выдает список рекомендуемых типов ИКП с определенным коэффициентом достоверности для каждого типа.

Программа работы с банком данных спроектированных сопряжений позволяет просматривать весь банк, либо только отобранные по какому-либо параметру, выбирать из них наиболее подходящие и после этого параметры выбранного сопряжения становятся текущими. В программе "ПЕРВИ'ПШИ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ* проводится расчет параметров

под заданные исходные требования по диапазону и разрешающей способности или точности.

Рекомендации могут сопровождаться графиками. Кроме того в системе обеспечена возможность моделирования работы сопряжения при сведении пользователем значения входной величины. При этой для каждой входной величины определяется соответствующее значение исходной величины, а такие абсолютное и относительное значение ошибки.

Интеллектуальные программные средства. разработанные днн уточнения параметров элементов ИКП так не используют экспертную оболочку "ЛИТЕР-ЭКСПЕРТ" и имеют структуру типа иерархических меню. Наиболее трудоемкой и ккоговариинтной задачей является синтез оптических усилителей < растровых преобразователей ) с заданными свойствами по заданной функции пропускания, связывающей функцию площади перекрытия элементом растров с их геометрической формой. Указанная задача момот быть сведена к решению нелинейного интегрального уравнения первого рода с оператором Урысона:

При определенных условиях функция Г допускает выражение f (х) представить через исходные данные в явном виде. Это позволяет практически решать поставленную задачу синтеза. В работе, в частности, показано, что по заданной функции пропускания растрового сопряжения можно выбрать геометрическую форму прозрачных плекситов растров из двух классов ф-'нкций: 1 класс: - четные, выпуклые !>пиз на интервале i-a, al, £(а) •>■■ О; И класс - функции со свойствами f(x) " f(0) • f{x + a) и fix) - убываем на интервале ¡0, а). Талой выбор может быть осущестилен бесконечным числом способов. Однако в диссертационной работе показана возможность получения системы правил типа "ЕСЛИ - ТО", позволяющей находить единственную геометрическую форму прозрачных элементов при введении различного рода ограничений.

Рассмотрены случаи для элементов.сложной формы, при которых сопряжение периодических структур образует комбинационные картины с асимметричной формой относительно направления сдвига функции пропускания н даны примеры образования ассикотричной функции пропускания для элементов структур различной геометрической формы. Выявленные свойства получили практическое использование при создании преобразователей углов вращения с определением направления

где Пей , F - функция взаимодой

П

истин)! .

вращения за счет выявления асимметрии функции пропускания растроим' о сопряжения.

Основными достоинстшши рассмотренных в диссертационной работе интеллектуальных программных средств поддержки, проектирования 1!КП являются функциональная расширяемость, простота освоения, поз-мокшость пополнения баз данных и знаний, использование режимов интерактивного аоаимодейетния типа "меню", оконный интерфейс, цветовая настройка программ и развитые сервисные срсдстиа.

lüt основании предложенных методов и средств преобразований с помощь» использования разработанных интеллектуальных программных средств разработана большая группа приборов, зачищенных авторскими свидетельствами. Отдельные методы и средства были внедрены в различных предприятиях и позволяли -получить значительный экономический эффект, в частности использования одного из ИКП в составе диагностического комплекса в Депоблонерго дало экономический эффект в размере 309 тыс, руб., а пакета программ для автоматизации испытаний измерительных модулей на Вильнюсском заводе электротехники дало экономический эффект в размере 213 тыс. руб.

Работа над материалами диссертации проводилась в лаборатории методов и средств автоматизации Института проблем машиноведения Российской Академик Паук, к отделе ИВК Ленинградского промышленного объединения "Вибратор" и на кафедре электротехники Лешшг-радского технологического института целлюлозно-бумажной промышленности в период с 1975 г. по 1993 г,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТА PAGOTII.

В результате проведенных исследований решена крупная проблема создания интерференционно-кодовых преобразователей, обеспечивающих иыеокочупствительноо, сверхбыстрое и пчмехозащищенное преобразование аналоговых физических неличин в цифровую форму для ввода их в капали информационно - и э коря тслытх систем для автоматизации научных исследований, испытаний, управления, контроля и (иагностирова-иия изделий машиностроения, в том числе:

1. Показано, что существенного увеличения производительности контроля и измерения в машиностроении можно достичь использованием в информационно-измерительных системах интерференционно-кодовых преобразователей.

2. Выявлены при исследовании особенностей инторференциои-по-кодовых преобразований новые характерные признаки сопряжений периодических структур, проявляющиеся в существовали« периода con-

ряжения периодических структур, в оптической редукции функции пропускания прозрачных элементов растров, в существовании перемещений, при которых набор фаз сопряжений элементов структур остается неизменным, во флуктуациях интегральной функции пропускания на периоде сопряжения периодических структур, перемещающихся относительно друг друга, и в сингулярности поведения коэффициента усиления перемещения нониусным соспряженпем при измепиеиия периодов структур.

3. На основе исследования особенностей сопряжений пространственно -временных структур разработаны основы теории интерференционно-кодового преобразования аналоговых сигналов

4. Выявлены оригинальные измерительные процедуры, реализуемые на одном периоде сопряжения периодических структур, что позволило, использовав их для ввода аналоговой величины в оптический тракт интерференционно-кодовых преобразователен, реализовать технические решения преобразователен с параметрами по чувствительности и быстродействию, не уступающими, а в большей части превосходящими на порядок известные оптоэлсктроиныс аналого-цифровые преобразователи.

5. Найдены основные рассчетпые соотношения для инженерных рассветов основных параметров узлов преобразования излучения в интерференционно -кодовых преобразователях.

6. Разработаны оригинальные технические решения интерференционно-кодовых преобразователей для преобразования различных физических величин, контролируемых в машиностроении, большинство из которых защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

7. Разработаны методики рассчога погрешностей преобразовательных звеньев, оценок максимальных ошибок кодирования и программные средства для автоматизации метрологических испытаний.

8. Разработаны методики синтеза и интеллектуальные программные средства для автоматизированного синтеза интерференционно-кодовых преобразователей в условиях не полной формализуемости.

9. Экспериментально подтверждена достаточная- с точки зрения инженерной практики адекватность полученных математических выражений, составляющих основу разработанных методик и реально отрашаю-щих протекающие в интерференционно-кодовых преобразователях физические процессы.

10. Использование в промыаи лшосги комплекса технических средств для автоматизации и диагностирования электрооборудования, в состав которого вошел ряд разработанных автором интерференцион-

но-кодовых преобразователей, дало экономический эффект в 300 тыс,

рублей, а программных средств для автоматизации метрологических

испытаний - дало экономический эффект в 213 тыс. рублен.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах."

1. Л. с. 1351423 СССР, ККИ GO2F7/O0. Оптоэлсктронпнй аналого-цифровой преобразователь./ Городецкий Л. FJ. , Фарафонов Ю. П. и Тарасова И. Л. (СССР). - N 3901280/24-25; Заявлено 27.05.05; ДСП.

2. Д. г.. 1245115 СССР, НИИ G02F7/00. Дефлекторпыи оптоэлсктрошши аналого-цифровой преобразователь./Городецкий Л. Е. .Тарасова II. Jf. (СССР). - К 3776549/24-25; Заявлено 02.G8.84; ДСП.

3. Л. с. 926530 СССР, МКИ G01B11/00. Оптический датчик перемещений. / Городецкий Л. Ё., Кузьмин Í7. П., Ляшенко íl. 11. к др. (СССР). - М 2944077/25-28; Заявлено 23.06.ПО; Опубл. 07.05.02, Бюл. ¡f 17. - 3 е.; 1 ил.

4. Л. С. 1715084 СССР, МКИ G02F7/00. Оптический аналого-цифровой .преобразователь перемещений интерференционных полос. / Городецкий Л. Е. , Сергеев Л. Г. ( СССР ). - tí 4741471/25 ; Заявлено 27.09.89; ДСП.

5. Л. с. 998856 СССР, МКИ GO1B11/0O, Оптический датчик перемещений. / Городецкий Л. Панков Э. Д., Фарафонои И. П. к др. (СССР). - Н 3218955/25-26; Заявлено 15.12.00; Опубл. 23.02.83, Бюл. N7. - 3 с.; 1 ил.

6. Л. с. 811073 СССР, МКИ G01B11/OQ. Муаровый датчик перемещений. / Городецкий Л. Е., Кузьмин П. П., Ляшенко Н. Н. и др. (СССР).-N 2746733/25-28; Заявлено 02.04.79; Опубл. 07.03.fil, Бюл. 1С 9.-Я с.; Ь ил,

7. Л. с. 868339 СССР, МКИ G01B11/GO. Оптический датчик перемещений объекта. / Городецкий Л. Е. , Кузьмин И. П., .Ляшенко Н. I!. (СССР). - Н 27GCG40/25-20; Заявлено 08.01.79; Опубл. 30.09.S1, Бюл. !? 36. -2с.; 1 ил.

е. Л. с. 6197С9 СССР, MKSI G01B11/Q0. Оптический дат чик перемещения объекта. / Городецкий Л. Е. , Кузьмин П. П., Ляше.чко II. II. (СССР). - К 2455744/18-20: Заявлено 24.02.77; Опубл. 15.08.78, Бюл. К- 30. - 2 с.; 'хил.

9. Л. с. 781559 СССР, МКИ G01B11/00. Оптический датчик перемещений. / Городецкий А. Е., Кузьмин'П. П., Ляшенко II. II. (СССР).-N 2708639/25-28; Заявлено 08.01.79; Опубл. 23.11.80, Бюл. » 43. - 2 с.; 2 ил.

10. Л. с. 926530 СССР, МКК GG1BU/Q0. Оптический датчик перемене-

кии. / Городецкий Л. Е. , Кузьмин П. П., Ляшенко II. I!. и др. (СССР). - N 2944077/25-28; Заявлено 23.06.00; Опубл. O7.0i.G2, Сил. 1Г 17. - 2 е.; 1 ил. И. Л. с. 6551В9 СССР, ИКП G01B11/09. Датчик перемещений объекта. / Городецкий Л. Е., Кузьмин П. П., Ляыинко П. К. и др. (СССР).

- Я 2443907/25-2С; Заявлено 10.61.77; ДСП.

12. Л. с. 781560 СССР, ЙКИ GO1B11/0B. Оптический датчик перекеще • ник. / Городецкий Л. Е., Кузьмин П. II., Ляшенко Н. I!. и др. (СССР).- N 2700641/25•20; Заявлено 08.01.79; Опубл. 23.11.60, Бюл. № 43. - 2 С.; 1 ил.

13. А. с. 7Й15СЗ СССР, МКИ G01Ü13/00. Оптический датчик перомеще-

' ний объекта./ Городецкий Л. Е. , Кузьмин П. П., Ляшенко II. II. и др.(СССР).- N2751774/25-28; Заявлено 19.03.79; Опубл. 32.11.80, Бюл. №43. - ?. с,; 1 ил.

14. А. с. 092241 СССР, KKI1 G01L3/GS. Оптоэлектронный торсиоиетр. / Городецкий Л. Е., Кузьмин ¡1. П., Ляионко II. II. и др. (СССР).

- Н'2909147/18-10; Заявлено 11.09.80; ОпуОл. 23.12.S1, Бюл. К* 47. - 2 с,; 2 ил.

15. Л. с. 510620 СССР, МКИ G03B11/16. Ппособ дистанционного стрс-доления деформации. / Городецкий Л. i.'., Кузьмин П. П., Ляшошсо II. И. (СССР).-и 3 895274/20; Заявлено 09.03.73; Опубл. 25.06.76, Бюл. К» 23. - 2 е.; 1 ил.

16. Л. с. 772379 СССР, ЙКИ G01R29/12. Устройство для исследования электрических полей. / Городецкий Л, Е. , Кузьмин П. П., Ляшенко Н. II. (СССР). - N 2528531/18-09; Заявлено 03.30.77; Опубл. 20.06.80, Бюл. № 34. - 4 е.; 1 ил.

17. А. с. 1241268 СССР, ЙКИ G06K9/00. Устройство для распознава-. лия образов. / Городецкий Д. Б., Кузьмин П. П., Тарасова И. Л.

(СССР). - К 3S21172/24-24; Заявлено 29.11.84; Опубл. 30.06.86, Кюл. 1С 24. - 3 с.; 3 ил. 1С. Л. с. 631946 СССР, МКИ G06K9/00. Устройство для распознавания образов. / Городецкий Л. Е., Кузьмин П. П., Ляшенко 11. Н. (СССР). - N 2479607/18-24-, Заявлено 26.04.77; -Оиубл. 05.13.70, Бюл. N* 41. - 2 с. ; 1 ил. " "

19. А. с. 1147135 СССР, МКИ G01C19/56. Гироскоп. / Городецкий А.Е. Кузькин II. П., Ляшенко II. 11. и др. (СССР). - М 3562527/40-23; Заявлено 10.03.83; ДСП.

20, А. с. 790905 СССР, МКИ G06K /00. Способ распознавания плоских фигур. / Городецкий А. Б., Кузьмин И. П., Ляшенко II. II. (СССР)

- Й 2315976/18-14; Заявлено 19.01.76; Опубл.23.01.В1, Бюл. ИЗ

- Z с.; 1 ил.

21. Городецкий Л. Е., Тарасова И. Л. О повышении быстродействия опто:>лектронннх аналого-цифровых преобразователей. //Оптическая обработка информации : Тезисы докл. У1 Всесоюзной школы -семинара, Фрунзе, сентябрь 1986. - С. 15.

22. Ciorodetski Л., Когарап К. , Zotov N. I.aser - optical clearance measurement, system.// Lasers and their applications: Abstracts 111 National confcrence and technical exhibition with international participation, Plovdiv, Bulgaria, 198S. - C. 190 - 191.

23. Городецкий A. E, О восстановлении изображения предмета из его муарограммм.// Простракствеино-црсмелшие модуляторы света для оптической обработки информации: Сб. научи.тр.ФТИ ЛИ СССР. 19Е7. - С. 134 - 141.

24. Городецкий Л. Е., Кузьмин П. П., Панков 3. Д. Муаровый оптико

- электронный тореломотр.// Оптико-электронные приборы в контрольно-измерительной технике: Сб. научи. тр., JiKTKO, JI., 1983.

- С. 4G - 50.

25. Городецкий Л. Е., Кузькин П. П. Голографнческий трехкоординат-ный датчик. // EOT: Сор. 10. - 1982. - вып. 175.

26. Использование формы кмпульсоп фотодатчиков угловых перемещений для получения информации о направлении перемещений. / Л. Е. Городецкий, П. П. Кузьмин, II. II. Лнпонко и др. //Изв. вузов. Приборостроение. - 1984. Т. ХХУ11, № 10. - С. U5 - 89.

27. Муаровый оптико-электронный измеритель перемещений. / А. К. Городецкий, П. П. Кузьмин, 3. Д. Панков и др. // Изв. вузов. Приборостроение. -19Я4. - Т. ХХУ11, № 12. - С. 70 - 72.

2В. Городецкий А. Е., Кузьмин П. П., Ляшенко Н. Н. Модели динамических измерений муаровым методом. // Динамические измерения: Тезис:.] докл. У1 Всесоюзного симпозиума, Л., 1984. - С. 105 -111.

29. Растровый трехкоордннатный датчик для измерения угловых уходов сооружении. / А. Е. Городецкий, П. П. Кузьмин, Г 1!. Ляшенко и др. // Современная электроника в оптическом приборостроении: Труды ЛИТМ0, Л., 1981. - С. 49 - 51.

30. Зеркально-растроньы модулятор. /А. Е. Городецкий, П. П. Кузьмин, Н. II. Ляшенко и др. // Оптико-олектрошше системы и приборы: Межвузовский Сб., Новосибирск, 1980. - С. 45 - 50.

31. Растровый датчик угловых уходов повышенной точности с реперньгм направлением. / А. Е. Городецкий, П. П. Кузьмин, И. Н. Ляосико и др. // Оптические и опткно-электронные приборы: Межвузовский

- зе -

сб., Новосибирск, 1932. - С. 79 - Я8.

32. Городецкий Л. Е., Городецкая II. Д., Кузьмин П. Л, Лазерный у г -лоизмеритеяьный прибор деля измерения деформации гидросооружений. // Применение оптико-электронных устройств в энергетике и электронике: Материалы семинара, ЛДПТП, Л., 1979. - с. 73 - 77.

33. Городецкий А. Е., Кузьмин II. П., Владимиров Ю. Н. О фазе колебаний резонатора, возмущаемого никродозаки летучих примесей. // 2ГГФ. - 1985. - Т. 55, вьи. 11. - С. 2202 - 2265.

34. Городецкий Л. Е., Кузьмин П. П., Тарасова И. л. Распознавание образов методом интегральных флуктуаций. // Изв. вузов. Приборостроение, 1963. - Т. ХХУ1, 1С 11. - С". 70 - 74.

ЗУ. Городецкий Л. Е., Кузьмин П. И., Висленев Ю. С. Измерение параметров комбинационных колебаний для оценки качества электрических контактов. // Измерительная техника. - 19134. - Я' 5. -С. 11 - и.

36. Городецкий А. Е., Кузькин П. К. Ротационное течение жидкости. // Письма в ЖТФ. - 1982. - Т. В, вып. 18. - С. 1118 - 1132.

37. Городецкий А. Е., Кузьмин Я. П. Двойное осесимметричное течение. // ЖТФ. - 19В4. - Т. 54, вып. 9. - С. 1681 - 1684.

38. Городецкий Л. Е., Кузьмин 11. П. Спиральные волны в осесиммет-ричЯом течении резонатора. // ИТФ. - 1905. - Т. 55, вып. 4. -С. 751 - 754.

39. Городецкий А. Е., Кузьмин Н. И. Ротационное течение андкосги с "насосным" эффектом. // ЖТФ. - 19вЬ. - Т. 55, вып. 10. -С. 2020 - 2023.

"40. Городецкий Л. Е. , Кузьмин 11. П., Ляшекко П. II. Метод оценки линейности активных элементов при моделировании судовых электрических систем. // Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация флота: Сб. научн. тр., ЛИВ'Г. , Л., 1978, вып.163. - С. 116 -118.

41. Городецкий Л. К., Ляшонко II. II., Тарасова И. Л. Оптоэлсктрон-иое распознавание образов кетодом интегральных флуктуации. // Проблемы и применение исскуствснного интеллекта : Сб. научн. тр., ИИ-67, Варна, НРБ, 1987. - С. Й9 - 95.

42. Городецкий А.Е., Тарасова И.Л. Генератор сигналов для поверки измерительных устройств. // Стандартизация и метрология: Материалы Всесоюзного семинара У1 Всеакадемяческой школы'. -Вильнюс, Я9ВВ. - С. 15 - 20.

43. Городецкий А. Е. Интерференционно-кодовые преобразователи в автоматизированных . системах. // Автоматизация научных иссле-

дований: Материалы 22-й Всесоюзной школы, НПФ Alf СССР. -Горький, 1989. - С. 74 - 78.

44. Gorodotsky Л. Е., Scrgeev A. G., Yeremenko S. Г. Self-learning expert system to support research and design of optronic A/D converters.//Artificial intelligence - industrial application: Abstracts of papers International conference. Leningrad,1990.-P. 61 - 65.

45. Gorodotsky Л. E,, Sergeev A, G,, Yeremenko S. I. An expert sy-sten supporting the desing of measuring sections of automated research systems.//Artificial intelligence - industrial application: Abstracts of papers International сапСспапся. -Leningrad, 1990. - P. 66 - 69.

46. Городецкий Л. E. Интерференционно-кодовые преобразователи. Л., 1939. - с. 31. - ( Препринт / ЛФИМЛШ АН СССР; Н 12 )

47. Городецкий Л. К. Элементы интерференцношго-кодояых преобразователей. - Л., 1990. - с. 78. - ( Препринт / ЛФИМЛШ АН СССР; N 29 )

43. Gorodetsky A. Е., Yeremenko S. I., Kurbanov V. G. An expert system supporting the desing of mesuro - calculating installations. / / Artificial intelligence and expert systems in manufacturing : Proceedings of the 1st International Conference. London, UK, 199C. - P. 303 - 306.

49. Городецкий A. E., Сергеев А. Г., Рощина II. А. Методы юстирозии оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователей микроперемещений и зазоров. // Метрология в прецизионном машиностроении : Тсэиси докл. Всосоюзн. семинара. Саратов, 1990. ■ С. 46 - '47.

50. Городецкий А. Е. Использование пространственно-временных модуляторов света в оптоэлектронпых аналого-цифровых преобразователях. // Вторая Всесоюзн. конф. по оптической обработке информации: Тезисы докл., Фрунзе, 1990, - С. 62 - 64.

51. Gorodetski A., Eremenko S. Laser - optical system of interfe-rensial code conversion . // Lasers and their applications; Abstracts. Ill National conference and technical exhibition with international participation. Plovdiv, Bulgaria, 1988. -P. 189 - 190.

52. Городецкий A. E., Курбанов В. Г., Еременко С. И. Экспертная система для поддержки проектирования измерительно-вычислительных комплексов. // Автоматизация научных исследованиГ:: Препринт Ы 117 ЛИИАЦ, Л., 1990. - С. 20 - 24.

53. Городецкий А. Е., Еременко С. И., Сергеев А. Г. Саиообучаю-

щаяся экспортная система для поддержки исследований к проектирования оптозлсктронных АЦП. // Автоматизация научных исследований: Препринт N 117, ЛИИЛИ, Л., 1990. - С. 15 - 10.

54. Городецкий Л. Е., Кузьмин II. П., Ляшснао II. II. Волновой транспортер. //Труды ПИ!1Р0, выи.ХХХУ1, Мурманск, 1975. - С. 15 - 21.

55. Городецкий Л, Е., Сергеси А. Г. Применение голографичесних кодирующих устройств в интегрально-оптических АЦП.//Тезисы докл. У1 Всесоюзной копф. по iолографии. Витебск, 1990. - с. 73 -74.

56. Gorodetsky Л. В., Sorgeev Л. G. The methods of zero odjustnicnt sone lazer-optical systems, // LASER - 9Э: Abstracts, Plovdiv, Bulgaria, 1990. - P. 136.

57. Городецкий A. E. , Сергеев A. I". Синтез структур оптозлсктронных АЦП перемещений, // Метрологическое обеспечение и стандартизация: Тезисы докл. У111 Всеакадсмической школы, КВТ АН СССР, М., 1990). - С. 258.

58. Городецкий Л. Е., Сергеев А. Г. Методы повышения чувствительности голографичесних датчиков. // Приоритетные направления в научном приборостроении: Тезисы докл., НТО АН СССР, JI., 1990,-

с. зз.

59. Городецкий А. Е. Принципы построения интеллектуальных систем для автоматизированного синтеза интерференционно-кодовых преобразователей. // Интеллектуальные системы в машиностроении : Материалы Всесоюзной научно-технической конференции. Самара, 3991 . - С. 19 - 23.

60. Городецкий А. Е. Методика расчета параметров оптического тракта 03 АЦП с пространственно-временной модуляцией света. С.-Петербург, 1993. С. 80. (Препринт / ИПМЛШ РАН; N ).

61. Gorodetsky Л. Е., Yeremeriko С. I., Kurbanov V. G. , Scrgeyev A. G. Expert Systems Supporting the Design of the Measuring Mouies and Sections of Automated Reacish Systems // Proceedings of the IFIP ТС5/Ж35.3 International Conference on Artifleal Intelligence in CIM. NORTON-HOLLAND, AMSTERDAM, LONDON, NEW YORK, TOKYO, 1991.

62 Городецкий Л. В., Сергеев А. Г., Компак М. Е. Электрооптическая линза с переменным фокусным расстоянием для оптозлсктронных АЦП // Автометрия. 1992, N 2. - С. 1