автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Приборы и средства повышения точности контроля инфракрасных систем

На правах рукописи

ЗАРИПОВ РЕНАТ ИСЛАМОВИЧ

ПРИБОРЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ КОНТРОЛЯ ИНФРАКРАСНЫХ

СИСТЕМ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2009

003470021

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики", г. Казань.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Бугаенко Адольф Георгиевич, ФГУП "НПО" ГИПО", г. Казань

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Корнилов Владимир Юрьевич, Казанский государственный энергетический университет,

доктор технических наук, профессор Ильин Герман Иванович, Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева

Ведущая организация:

ФГУП "Сибирский научно-исследовательский институт оптических систем", г. Новосибирск

Защита диссертации состоится " 23 " июня 2009 г. в _15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.079.04 в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева (420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д.31).

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д.Ю, на имя ученого секретаря.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, с авторефератом - на сайте КГТУ: http://www.kai.ru.

Автореферат разослан " мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

В.Р. Линдваль

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: расширяющийся круг военных и гражданских задач, при решении которых используются инфракрасные (тепловизионные и теп-лопеленгационные) системы, успехи полупроводниковой техники привели к качественному скачку, результатом которого стало появление в последние 5-10 лет инфракрасных систем (ИКС), имеющих значительно более высокие, по сравнению с ранее разработанными, характеристики по температурной чувствительности и пространственному разрешению, являющиеся основными для ИКС.

Испытания и контроль качества ИКС в процессе разработки, производства и эксплуатации проводятся с помощью приборов контроля (ПК) ИКС, состоящих из оптической и электронной частей и формирующих оптический инфракрасный сигнал с нормированными пространственными размерами и величинами разности радиационных температур (АТМ).

На большинстве отечественных предприятий, занимающихся разработкой и производством ИКС, наблюдается острая нехватка ПК, обеспечивающих необходимую для контроля современных ИКС точность воспроизведения и поддержания ДТм, что приводит к значительному риску заказчика получить ИКС, не соответствующие их паспортным данным, к потере ценной информации или к неоднозначности ее идентификации.

Для создания современных ПК необходимо наряду с качественной оптической частью (формирующей с помощью входящих в ее состав дифференциального излучателя и объектива коллимированный контрастный поток инфракрасного излучения) иметь высокоточные электронные устройства управления (ЭУУ), поддерживающие заданный уровень АТЛ, между фоновым излучателем (фоном) и мирой (тест-объектом) дифференциального излучателя. Наличие достаточно универсальных ЭУУ позволяет создавать не только различные модификации новых ПК, но и дает возможность переоснащать (заменой устаревших электронных систем управления на современные) большое количество приборов, разработанных и изготовленных в 1980-х - 1990-х годах с качественной оптической частью и, при сравнительно малых материальных затратах, получать высокоточные ПК.

Данная работа посвящена вопросам исследования путей и разработки новых технических решений, позволяющих повысить точность ПК ИКС за счет усовершенствования их ЭУУ.

Цель работы - повышение качества и достоверности измерения и контроля характеристик инфракрасных систем в процессе их разработки, производства и эксплуатации за счет создания высокоточных приборов контроля.

Научная задача диссертации (задача научного исследования) - разработка приборов и средств повышения точности контроля инфракрасных систем, решаемая последовательно в следующих направлениях:

1. Анализ характеристик существующих зарубежных и отечественных приборов контроля и формирование на основе анализа общих требований к ним в части электронных устройств управления.

2. Анализ факторов, влияющих на величину разности радиационных температур на оптическом выходе приборов контроля (АТМ), и разработка метода стабилизации АТ„.

3. Определение требуемых характеристик функциональных элементов электронных устройств управления с точки зрения их устойчивости и точности поддержания Д ТЛ1.

4. Разработка алгоритмов работы электронных устройств управления в режиме поддержания постоянного значения АТ„ (статическом) и в режиме автоматического изменения АТЛ1 по заданному оператором закону (динамическом), обеспечивающих требуемую точность и оперативность работы приборов контроля.

5. Разработка на основе предложенного метода стабилизации АТ„ и алгоритмов работы серии новых электронных устройств управления, их испытание и внедрение в практику.

Объект исследования: приборы контроля инфракрасных систем.

Предмет исследования: разность радиационных температур на оптическом выходе ПК, поддержание ее заданного уровня в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.

Методы исследования: при решении научной задачи диссертации использовались методы имитационного моделирования, теории управления и устойчивости, теории измерений, статистического анализа, методы экспериментальных исследований и испытаний.

Научная новизна работы:

1. Впервые разработан метод поддержания заданной величины АТ„ при работе в широком диапазоне температур окружающей среды,, а также при непрерывной работе в течение длительного времени, основанный на автоматическом изменении разности термодинамических температур фонового излучателя и миры (Д7) (в соответствии с данными индивидуальной калибровки ПК), компенсирующем влияние на ДТм возникающих при работе в указанных условиях дестабилизирующих факторов.

2. Разработаны блок-схема и созданная на ее основе имитационная модель ЭУУ, позволяющие с учетом характеристик фонового излучателя и зависимости точностных характеристик используемого в ЭУУ сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя (АЦП) от частоты его опроса определять значения параметров и режимы работы отдельных звеньев ЭУУ, обеспечивающие требуемую устойчивость устройства и точность поддержания АТЛ1.

3. Разработаны алгоритмы работы ЭУУ в статическом и динамическом режимах, обеспечивающие требуемую точность измерений и оперативность работы ПК.

Практическая ценность работы: разработанные методы и средства

позволили в 8 раз повысить точность поддержания АТи, обеспечили работу созданных ПК в широком диапазоне температур окружающей среды (от минус 40 °С до + 50 °С) в течение длительного времени непрерывной работы, позволили сократить временные и материальные затраты при проведении испытаний ИКС за счет автоматизации процессов измерений, обработки и хранения результатов измерений. Разработанные ЭУУ позволяют создавать новые конкурентно способные ПК и проводить модернизацию существующих.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов имитационного моделирования с результатами экспериментальных исследований созданных вариантов ПК, а также опытом применения разработанных ПК на предприятиях отрасли и в зарубежных организациях.

Реализация результатов:

- результаты исследований использованы в ФГУП "НПО ГИПО" при создании высокоточных ПК типа НСИ-К, НСИ-КМ, НСИ-КМУ, Измеритель-ЗЦ, Орхон-М, ВЭ-1227М, "Зерноград", внедренных на предприятиях отрасли (ГУП "КБП" г. Тула, ФГУП ПО "УОМЗ" г. Екатеринбург, ФГУП "ЦКБ "Точприбор" г. Новосибирск, ФГУП 3 ЦНИИ МО РФ г. Москва, ФГУ 32 ГНИИИ г. Мытищи) и в зарубежных организациях ("Промышленный центр оптики", Республика Польша, г. Варшава, Кунминьский институт физики, Китайская народная республика, г. Кунминь);

- разработанный метод использован в серийно выпускаемых образцах контрольно-проверочной аппаратуры (КПА) 9В679, 9В679М1, 9В679-3, 9В9001, 9В9001-01, предназначенных для контроля работоспособности ИКС в процессе эксплуатации в составе отечественных противотанковых ракетных комплексов, в модернизированной КПА 9В679.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод поддержания заданной величины разности радиационных температур на оптическом выходе ПК ИКС в широком диапазоне температур окружающей среды и в течение длительного времени непрерывной работы ПК.

2. Блок-схема, имитационная модель ЭУУ и методика выбора требуемых характеристик составных частей устройства.

3. Алгоритмы работы ЭУУ в статическом и динамическом режимах, обеспечивающие требуемую точность измерений и оперативность работы.

4. Разработанная на основе предложенного метода серия ЭУУ, использованная при создании новых и модернизации существующих ПК ИКС.

Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на XVIII, XIX и XX Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий" (г. Казань, 2006, 2007, 2008 гг.), на отраслевых конференциях и семинарах ФГУП "НПО ГИПО".

ПК, выполненные с использованием результатов данной работы, и рекламные материалы по ним неоднократно демонстрировались на

международных выставках вооружений и военной техники и технологий двойного назначения IDEX 2001 (2001 г.), ЮЕХ 2003 (2003 г.) г. Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты; МАКС 2003 (2003 г.), МАКС 2005 (2005 г.), г. Жуковский, Россия; IDELF-2004 (2004 г.) г. Москва, Россия; MSPO 95, г. Кельце, Республика Польша; VTTV 99, г. Омск, Россия; DSA 2002 (2002 г.), г. Куала-Лумпур, Малайзия; IDEF 99 (1999 г.), г. Анкара, Турция; IDET 99 (1999 г.), г. Брно, Чехия и многих других.

Публикации

Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 3 научных статьях (из них 2 статьи в издании из списка ВАК РФ), 3 тезисах докладов, 2 свидетельствах на изобретение, 3 патентах на изобретение, 1 свидетельстве на полезную модель, 3 патентах на полезную модель.

Личный вклад

Настоящая диссертация представляет собой обобщение многолетних исследований автора в области создания ЭУУ приборов контроля ИКС. Автор являлся идеологом данного направления, заместителем Главного конструктора приборных комплексов в части ПК, принимал непосредственное участие в разработке, изготовлении и внедрении ПК на предприятиях отрасли и в зарубежных организациях. Автором на основании теоретических и экспериментальных исследований самостоятельно получены математические выражения зависимости АТм от различных факторов, разработан метод повышения точности поддержания АТМ. Также самостоятельно автором разработаны блок-схемы и принципиальные схемы наиболее важных блоков всех представленных в диссертации ЭУУ, алгоритмы их работы.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 47 наименований, и приложений.

Общий объем составляет 157 страниц, включая 53 рисунка, 14 таблиц и 6 приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ характеристик зарубежных и отечественных ПК, рассмотрены проблемы, связанные с их эксплуатацией.

Показано, что предлагаемые на международном рынке ПК (например, фирмы Electro Optical Industries, Inc, USA) имеют достаточно широкий диапазон воспроизводимых значений AT (от минус 10 К до + 10 К) и высокую точность поддержания AT (погрешность поддержания - не более 0,01 К). Однако эти приборы в основном являются лабораторными и предназначены для работы лишь в нормальных климатических условиях (при температуре окружающей среды от 15 °С до 35 °С).

Отечественные ПК (например, ПК "Орхон") способны работать в жестких условиях (диапазон рабочих температур окружающей среды ± 50 °С), но, при этом, воспроизводят лишь положительные значения ДТ с достаточно большой погрешностью (погрешность поддержания АТ± 0,2 К).

К общим недостаткам зарубежных и отечественных ПК можно отнести то, что данные системы измеряют и поддерживают не Д Тм, а ДТ, а также отсутствие динамического режима работы, необходимого при снятии температурно-частотных характеристик (ТЧХ). Судя по технической и патентной литературе в зарубежных и ранее разработанных отечественных приборах отсутствуют системы автоматической компенсации влияния на ДТм температуры окружающей среды (Та) и возникающей в результате теплового влияния фонового излучателя на миру разности температур миры и окружающей среды (АТ(МА)), что не позволяет обеспечить требуемую точность поддержания АТЛ, в широком диапазоне Та и при длительной непрерывной работе.

В первой главе по результатам анализа характеристик существующих и перспективных ПК и ИКС определены основные требования к ПК в части ЭУУ.

Во второй главе анализируются факторы, влияющие на уровень АТлп предложен метод поддержания постоянного уровня АТМ в различных условиях эксплуатации.

Рассмотрена обобщенная блок-схема ПК (рис. 1).

Рис. 1. Обобщенная блок-схема ПК.

1 - задатчик ДГ„; 2 - устройство поддержания ДТм; 3 - фоновый излучатель; 4 - мира;

5 - объектив; 6 - защитное окно, 7 - исследуемая ИКС.

При работе ПК участки в центральной части фонового излучателя, не закрытые мирой (которая может представлять собой, например, тонкую непрозрачную пластину, в центральной части которой есть ряд параллельных друг другу сквозных прорезей) создают за счет определенного нагрева (охлаждения) фонового излучателя и того, что мира имеет температуру, близкую к Т„, контрастный поток излучения, который формируется (коллимируется) объективом и в виде сигнала с определенными пространственными размерами и определенным значением АТМ поступает на вход исследуемой ИКС. Основная задача ЭУУ -поддержание АТ, обеспечивающей на оптическом выходе ПК требуемое значение АТМ.

Величина АТ„ зависит в большой степени от характеристик оптических элементов коллиматора, которые можно считать постоянными в

течение времени между калибровками ПК, и АТ, обусловленной принудительным нагревом (охлаждением) фонового излучателя. Кроме того, показано, что на величину АТЛ, существенное влияние оказывают Та и температура миры (Тк), при этом, важно не абсолютное значение ТЛ1, а разность температур между мирой и окружающей средой (АТ(МА)).

На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что с требуемой точностью соотношения между АТи и ДТ, Та, АТ(МА) могут быть получены лишь при индивидуальной калибровке ПК по уровням ДТ„ (в пределах рабочего диапазона Д7"м) во всем рабочем диапазоне Та в течение времени, необходимого для установления внутри коллиматора температурного равновесия. При этом, предложено при калибровке использовать значения ДТ, Та и ДТ(МА), измеренные ЭУУ калибруемого ПК, что компенсирует определенную часть систематических погрешностей ЭУУ и устраняет необходимость отдельной калибровки контрольных датчиков температуры. Предложено для расчета АТ„ (для случая Та - Тл) использовать полученные автором типовые зависимости, легко корректируемые в соответствии с результатами индивидуальной калибровки каждого ПК:

Д Тм = АТ„(0) + ДД ТЛ1(А), (1)

где АТа,(0) - зависимость АТ, от ЛГпри Та = О °С и АТ(МА) = 0;

ДДТМ(А) - составляющая ДГ,„ обусловленная влиянием Та.

Типовые графики зависимостей ДТм(0) и ДДТМ(А), приведены соответственно на рис. 2 и 3.

-20

11,519' 5,633 -10

АДТи(0), К

10 -5,361

-10,432

20

>Д Т, К

АТ= - 20 К АТ~ 20 К

ДГ= 10 К

ДДТЛА), мК -Ц 34 ПО

Та, °С

Рис. 2. Зависимость ДТм(0) от ДТ.

- 50 20 77

9!.

Рис. 3. Зависимость ДДТЯ,(А) от Та.

Предложено выражение для расчета ДДТМ(А):

ААТМ=ЛЛТмопор11{А)-

АТ

\ ^ ^ опори.

■К., (2)

<„Юр„:, К, - нормали-

где ААТЛ, в„оР,,(А) - зависимость ДДТ„(А) при АТ = АТ, зующий коэффициент, зависящий от АТ.

Графики типовой зависимости К„ от АТ приведены на рис. 4. Определены выражения для расчета ДТА,(0), ДДТмопор„ (А) и К„. Данные выражения уточняются по результатам индивидуальной калибровки каждого образца ПК.

1,067 дт1 = 5 ТС

¿Л1 опори. ^

Та>0

АТ, К

^Т0П0р„ -5 К ^ ^^

То>0

Та<0

Рис. 4. Зависимость К„ от АТ.

Проведенные исследования особенностей работы ПК в течение длительного времени показывают, что при этом происходит постепенный нагрев (охлаждение) миры за счет передачи ей тепла (холода) от расположенного рядом с ней фонового излучателя, что приводит к изменению разности радиационных температур на величину ДДТЛ,(МА), с учетом которой:

АТМ = А Тл,(0) + ДД ТМ(А) + ААТм(МА), (3)

где ААТм(МА) - составляющая АТМ, обусловленная АТ(МА).

Автором определена зависимость между АТ(МА) и ААТм(МА).

График типовой зависимости приведен на рис. 5 (сплошная линия Та = + Ю °С, пунктирная линия Та = - 10 °С).

Предложено выражение для расчета ДДТм(МА)\

ААТм(МА> АЛТмбазоа /МА )-КгК2> (4)

где ДДТм баюв.(МА) - зависимость ДДТм(МА) от ДТ(МА) при фиксированных значениях Та базов. и ДТбазов., К1 - коэффициент, зависящий от АТ, К2 — коэффициент, зависящий от Та.

Типовые графики К, и К2 приведены, соответственно, на рис. 6 и рис. 7. Определены выражения для вычисления ААТЛ1 ба30в.(МА), К1 и К2. Данные выражения уточняются для каждого образца ПК по результатам его индивидуальной калибровки.

ДДТ„(МА), мК А.

Д7,= -20 К;

~4—АТ= 20 К АТ= 20 К

АТ = 10 К

ДГ= 5 К АТЩА), К

Рис. 5. Зависимость ДДТм(МА) от АТ.

АТбазов. = + 5 К 4,21 Т„бм = +10°С : 4,18 X.

АГсох,,. — 5 К

Та базоа. 10 С /

/

АТ0„„,=- 5 К

7о&по«1==Н0°С

ДГ>0

АТбозо». — + 5 К ' а бпзоа. = -10°С

дг>о

т„,°с

Рис. 6. Зависимость коэффициента К] от АТ. Рис. 7. Зависимость коэффициента К2 от Та.

Автором предложен метод автоматического поддержания заданного значения ДТм в широком диапазоне Та при непрерывной работе в течение длительного времени, суть которого заключается в автоматическом изменении ДТ при изменении Та и АТ(МА) таким образом, чтобы скомпенсировать зависимость ДГ„ от Та и ДТ(МА). Для осуществления данного метода разработана структурная схема ЭУУ, приведенная на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема ЭУУ.

Процессор температурный (ПТ) выполнен на базе персонального компьютера. В ПТ предварительно вводятся зависимости (2) - (4) и полученные при калибровке зависимости АТм(0) , ДД7]„ 0„0р,,/А), К,„ К,, К2, ААТЛ, базоа,(МА). Используя периодически поступающие с измерителя АТ, измерителя Та, измерителя АТ(МА) данные, процессор температурный по определенному алгоритму устанавливает (воздействуя через выходной каскад на исполнительный элемент фонового излучателя) такое значение АТ, при котором разность между вычисленным ПТ и введенным оператором заданным значением АТМ не превышает допустимого уровня, что обеспечивает автоматическое поддержание с требуемой точностью заданной величины АТМ во всем рабочем диапазоне Та в течение длительного времени непрерывной работы.

В третьей главе исследуются характеристики ЭУУ на базе разработанной блок-схемы и построенной на ее основе имитационной модели, приводятся алгоритмы работы в статическом и динамическом режимах, проведен анализ погрешности поддержания АТМ.

Блок-схема ЭУУ ПК "Орхон-М" приведена на рис. 9.-В ПК "Орхон-М" миры располагаются в диске мир, вращением которого осуществляется автоматическая установка в рабочее положение требуемой миры. Для учета температурного градиента по диску мир и неравномерности нагрева конструктивных элементов коллиматора предложено использовать по несколько датчиков температуры миры (Д7^„) и окружающей среды (ДТа). В состав ПТ прибора "Орхон-М" помимо персонального компьютера входит сигма-дельта АЦП, имеющий 6 дифференциальных каналов с программируемым усилением, а также контроллер, управляющий работой АЦП, вычисляющий разность между измеренным и заданным персональным компьютером значениями АТ и осуществляющий пропорционально-интегрально-дифференциальное преобразование разностного сигнала. На основании анализа технической документации на сигма-дельта АЦП установлено, что его напряжение смещения сильно зависит от частоты выдачи им данных (больше при высокой частоте). В то же время, при низкой частоте обновления этих данных, используемых для поддержания АТ, увеличиваются

колебания поддерживаемой ЭУУ величины ДТ относительно его среднего значения.

Для определения оптимальной частоты выдачи данных АЦП и анализа устойчивости ЭУУ построена в среде МаЛАВ имитационная модель его канала регулирования ДТ, приведенная на рис. 10.

1 - 4 - ДГ„; 5 ~JXTa-, 6,1 - датчики температуры фонового излучателя (ДГ„); 8 - термоэлектронный микроохладитель (ТЭМО); 9 -ДТа; 10 - 15 - формирователи; 16 - устройство защиты от перегрева; 17, 18 - формирователи; 19 - датчик положения диска мир; 20 -"привод узла мир;"21 -АЦП; 22 — персональный компьютер; 23 - устройство интерфейса; 24 - контроллер; 25 - устройство сопряжения; 26 - устройство управления приводом мир; 27 - 29 - цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП); 30 - 32 - выходные каскады; 33 -тепловая защита; 34 - 38 - пульты наблюдателей.

Для построения графиков переходных процессов в системе COSMOS Works созданы трехмерные модели фонового излучателя и миры. На основании анализа имитационной модели определены параметры ПИД-преобразователя, обеспечивающие требуемую устойчивость ЭУУ и малое время переходного процесса. Оценка устойчивости проведена по логарифмическим амплитудным и логарифмическим фазовым частотным характеристикам, построенным с помощью Math Cad (запас устойчивости по фазе составил 66° и по амплитуде 20 дБ). Получена зависимость амплитуды колебаний поддерживаемого значения AT от частоты опроса АЦП. Определена оптимальная частота опроса АЦП, равная для ПК "Ор-хон-М" 5 Гц. При данной частоте амплитуда колебаний AT и погрешность поддержания AT за счет напряжения смещения АЦП не превышают 1 мК.

Ограничитель

Рис. 10. Схема модели канала регулирования ДТ.

Км, К„, Кд - коэффициенты передачи по температуре миры, излучателя и датчиков температур; Т„, Т,„ т,„ тм — постоянные времени и время чистого запаздывания фонового излучателя и миры; /С, - коэффициент усиления усилителя АЦП; К2 - коэффициент усиления, обусловленный разницей разрядности АЦП и ЦАП; цох„ , ц,шгр. - коэффициент полезного действия ТЭМО при работе в режиме охлаждения и нагрева; и, I - напряжение питания и ток ТЭМО.

Положительные результаты испытаний ПК "Орхон-М", основные узлы ЭУУ которого выполнены в соответствии с расчетными данными, подтверждают точность и корректность проведенных расчетов.

Предложен и обоснован разработанный автором алгоритм работы ЭУУ в статическом и динамическом режимах. Статический режим предполагает максимально точный выход на заданное оператором значение ДТл, т>. и его поддержание в течение всего времени работы ПК. Предложенный алгоритм работы в статическом режиме задает следующий порядок работы, осуществляемой автоматически:

- установка в рабочее положение заданной оператором миры;

- вычисление по упрощенной формуле (без учета ДДТа и ДДТ(МА)) значения АТ„,реб (соответствующего АТЛ, зад) и вывод системы на вычисленное значение Д Ттреб.;

- определение после выхода в стационарный режим серии замеров Та, АТ(МА), ДТ и обработка результатов измерений;

- вычисление фактического значения ДГ„ ф;

- определение ошибки выхода на заданное значение ДГ„ жк) и, при необходимости, коррекция по определенному алгоритму значения ДТтре6/,

- повторение до совпадения текущего ДТл, и заданного ДТЛ1Шд. значений с заданной точностью операций коррекции АТ„,ре6 (рис. 11);

- формирование сигнала разрешения работы с ПК и текущий контроль за ДТм в процессе работы и, при необходимости, коррекция ДТтреб (с ограничением величины приращения).

Предложенный алгоритм работы:

- не требует установления точной зависимости АТ от АТ„, Та и АТ(МА), то есть для измерения и поддержания АТМ используется одна и та же зависимость, полученная при калибровке ПК;

- не требует точного выхода на вычисленное значение ДТ^б, что сводит требования к каналу поддержания АТ лишь к кратковременной стабильности поддержания АТ с минимальными колебаниями Д2"(не требуется большой коэффициент усиления по контуру канала поддержания АТ).

Режим изменения АТМ по заданному оператором закону (динамический режим) (график изменения АТЛ, приведен на рис. 12) используется при снятии ТЧХ ИКС, когда необходимо определить значение АТт при котором наблюдатель (ряд наблюдателей) на изображении, формируемом ИКС, начинает различать рисунок миры и выдает с помощью пульта наблюдателя (ПН) сигнал. Для снятия ТЧХ необходимо провести замеры последовательно при нескольких мирах, имеющих различную пространственную частоту. Показано, что нет необходимости в точном соответствии фактического текущего значения АТМ ¡¡, заданному (в соответствии с выбранным оператором законом) значению ДТм зад.. Важно определение точного фактического значения ДТ„ ф, в момент поступления сигнала с любого из ПН. Исходя из этого, автором предложен алгоритм работы в динамическом режиме, определяющий порядок работы, осуществляемой автоматически:

- установка в рабочее положение первой из заданных мир;

- выход на заданное опорное значение АТЛ, 0„. (в соответствии с алгоритмом работы в статическом режиме);

- расчет (упрощенный, без учета ААТа и ААТ(МА)) по заданному закону изменения АТ„ соответствующего ему требуемого закона изменения АТ;

- изменение ДГпо требуемому закону;

- фиксация текущих значений ДТ, АТ(МА), Та, соответствующих моменту поступления с ПН сигналов (с фиксацией номера ПН и номера миры);

- проведение всеми наблюдателями заданного количества измерений (и, соответственно, проведение для этого заданного количества циклов изменения Д7) для каждой из мир;

- обработка результатов измерений с автоматическим построением ТЧХ и последующим их хранением.

Предложенный автором алгоритм работы, как показывает практика эксплуатации приборов в различных организациях, значительно повышает точность измерений характеристик ИКС за счет быстрой и одновременной фиксации значений всех влияющих на АТЛ1 температур, упрощает и ускоряет проведение измерений, снижает вероятность ошибки оператора, позволяет автоматизировать обработку и хранение результатов измерений, существенно снижает требования к квалификации персонала, обслуживающего ЭУУ.

В третьей главе проведен анализ погрешности поддержания АТЛ1. Показано, что наибольший вклад в нее вносят погрешность калибровки ПК, погрешность преобразования сигнала с датчика температуры в напряжение и временная нестабильность датчиков температуры.

Показано, что:

- для |ДГ| < 2 К при значениях Та от минус 50 °С до + 50 °С, доверительной вероятности 0,95 и погрешности калибровки ПК 7,5 мК, границы погрешности поддержания ДТм составляют ± 12 мК;

- для |Д7] < 10 К при значениях Та от минус 50 °С до + 50 °С, доверительной вероятности 0,95 и погрешности калибровки ПК 30 мК, границы погрешности поддержания ДТм составляют ± 47 мК.

В четвертой главе рассмотрены практически реализованные варианты ПК, выполненные на базе разработанного метода поддержания ДТм.

ЭУУ данных ПК выполнены с использованием различных способов (расчетного, табличного и аналогового) определения (на основании данных индивидуальной калибровки и с учетом измеренных текущих значений АТ(МА) и Та) текущего значения АТ, необходимого для получения на оптическом выходе ПК заданной величины АТМ.

В качестве приборов контроля, в ЭУУ которых использован расчетный способ, рассмотрены измерительные системы "Орхон-М", НСИ-К, НСИ-КМ, НСИ-КМУ, Измеритель-ЗЦ, ВЭ-1227М, "Зерноград".

Блок-схема и принцип работы ЭУУ прибора "Орхон-М" подробно рассмотрены в главе 3.

Приборы контроля НСИ-К, НСИ-КМ, НСИ-КМУ, Измеритель-ЗЦ по принципу работы аналогичны прибору "Орхон-М", но имеют ряд отличий. Они выполнены полностью на отечественной элементной базе, имеют расширенный диапазон рабочих температур окружающей среды (± 50 °С), три поддиапазона определения и поддержания АТМ, воспроизводят значения АТЛ1 до ± 20 К.

Рассмотрены особенности модернизированного прибора ВЭ-1227М. Он имеет жидкостной фоновый излучатель большого размера (400x500 мм). Его ЭУУ аналогично ЭУУ прибора "Орхон-М" и отличается, в основном, способом управления фоновым излучателем, снабженным ТЭМО, системой принудительной циркуляции воды, датчиками скорости протекания воды.

ЭУУ всех КПА поддерживают лишь определенное ограниченное число фиксированных значений АТЛ1 (как правило, одно или два), причем закон изменения АТ при изменении Та и ДТ(МА), обеспечивающий поддержание требуемого значения ДТм, заранее закладывается (в виде таблицы) в цифровое постоянное запоминающее устройство прибора (в КПА 9В679, 9В679М1, 9В679-3 и модернизированной КПА) или формируется аналоговым способом (в КПА 9В9001, КПА 9В9001-1).

Приведены описания и алгоритмы работы данных систем, предложены критерии выбора каждого из способов.

Внешний вид приборов контроля "Орхон-М", НСИ-КМУ, КПА 9В679, 9В9001, 9В9001-1 приведен, соответственно, на рис. 13 - 17.

Рис. 13 Рис. 14

Рис. 15 Рис. 16 Рис. 17

Основные результаты и выводы

Основным результатом исследований и разработок, включенных в данную диссертацию, является достижение автором цели работы - повышение качества и достоверности измерения характеристик инфракрасных систем в процессе их разработки, производства и эксплуатации за счет создания высокоточных приборов контроля.

В ходе работы были решены следующие задачи:

1. На основе проведенного анализа характеристик зарубежных и отечественных приборов контроля, перспектив их развития, а также с учетом появления в последние годы инфракрасных систем со значительно более высокими (по сравнению с ранее разработанными) параметрами по

температурной чувствительности и пространственному разрешению сформированы требования к приборам контроля в части электронных устройств управления.

2. В результате проведенного анализа факторов, влияющих на уровень разности радиационных температур на оптическом выходе прибора контроля (ДГ„), установлено, что для обеспечения требуемой для контроля современных инфракрасных систем точности поддержания ДТм необходимо, помимо учета оптических характеристик элементов коллиматора прибора контроля и разности термодинамических температур фонового излучателя и миры, дополнительно учитывать температуру окружающей среды и разность термодинамических температур миры и окружающей среды. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что с требуемой точностью соотношения между ДТм и влияющими на нее факторами могут быть получены лишь в результате индивидуальной калибровки каждого прибора контроля. Получена система типовых зависимостей, позволяющая определить величину АТ„ при различных значениях влияющих на нее факторов. Зависимости представлены в виде, удобном для их коррекции по результатам калибровки.

Впервые на основе полученных зависимостей предложен и разработан метод поддержания заданной величины АТМ при работе в широком диапазоне температур окружающей среды, а также при непрерывной работе в течение длительного времени, основанный на автоматическом изменении разности термодинамических температур фонового излучателя и миры, компенсирующем влияние на АТЛ, дестабилизирующих факторов, возникающих при работе в указанных условиях.

3. На базе разработанной блок-схемы прибора построена имитационная модель электронного устройства управления, позволяющая с учетом характеристик фонового излучателя и зависимости точностных характеристик сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя от частоты его опроса определять значения параметров отдельных звеньев устройства, обеспечивающие его устойчивость и требуемую точность поддержания ДГ„.

4. Разработаны алгоритмы работы электронного устройства управления в режиме поддержания постоянного значения ДТм (статическом) и в режиме автоматического изменения АТМ по заданному оператором закону (динамическом), позволяющие достигать требуемой точности выхода на заданное значение АТЛ, и его поддержания с одновременным сохранением требуемой устойчивости устройства, а также обеспечивающие оперативность работы прибора контроля за счет автоматизации большинства операций измерения, обработки и хранения данных.

5. Для реализации предложенного метода разработаны различные способы (расчетный, табличный, аналоговый) определения (на основании данных индивидуальной калибровки и с учетом текущих значений температуры окружающей среды и разности термодинамических температур миры и окружающей среды) текущего значения разности термодинамических

температур фонового излучателя и миры, необходимого для получения заданной величины АТм.

Предложены критерии выбора каждого из способов.

6. На основе проведенных исследований и предложенных технических решений разработан, изготовлен и после метрологической аттестации внедрен на предприятиях отрасли, в специальных лабораториях военных НИИ, на полигонах и, в рамках международного научно-технического сотрудничества, в зарубежных организациях ряд приборов контроля, в которых достигнуто (на примере прибора "Орхон-М" в сравнении с прибором "Орхон"):

- уменьшение погрешности поддержания Д7^„ - в 8 раз;

- уменьшение шага задания ДТм - в 10 раз (до 0,01 К);

- возможность поддержания с требуемой точностью заданного значения ДТЛ, в широком диапазоне температур окружающей среды (минус 40 ... 50 °С) в течение длительного времени непрерывной работы (погрешность поддержания не более 12 мК при |ДГ,,| < 2 К);

- возможность работы в динамическом режиме;

- возможность получения отрицательных значений ДТЛ1;

- возможность работы одновременно 5 операторов;

- осуществление автоматической обработки и хранения результатов измерений.

Предложенные технические решения защищены 2 авторскими свидетельствами на изобретение, 3 патентами РФ на изобретение, рядом патентов и свидетельств РФ на полезную модель.

Автор выражает благодарность за научное консультирование при работе над диссертацией доктору технических наук Курту Виктору Ивановичу.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Зарипов Р.И. Электронные устройства управления высокоточными измерительными системами / А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов // Оптический журнал. -2002. - Т.69. - № 4. С. 26-30 (издание из списка, рекомендованного ВАК). -

2 Зарипов Р.И. Модернизированный высокоточный измерительный стенд ВЭ-1227М / А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов // Оптический журнал. - 2007. -Т.74. - №1. С. 21-24 (издание из списка, рекомендованного ВАК).

3 Зарипов Р.И. Высокоточное электронное устройство управления инфракрасными измерительными комплексами / Р.И. Зарипов, В.И. Курт, А.Г. Бугаенко // Электронное приборостроение. Научно-практический выпуск. - 1 (46). Казань. 2006, стр. 24-28.

4 Зарипов Р.И. Инфракрасный измерительный комплекс "Орхон-М" с высокоточным электронным устройством управления / А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов // XVIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий", 16-18 мая, 2006 г., Казань: Сборник материалов. 4.1. - С. 44,45.

5 Зарипов Р.И. Модернизированная контрольно-проверочная аппаратура для тепловизионного прицела / Р.И. Зарипов // XIX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий", 14-16 мая, 2007 г., Казань: Сборник материалов. Ч.2.- С. 298-300.

6 Зарипов Р.И. Варианты построения электронных устройств управления инфракрасных контрольно-измерительных систем / А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов // XX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий", 14-16 мая, 2008 г., Казань: Сборник материалов. 4.2.-С. 251-253.

Авторские свидетельства и патенты

1 Авторское свидетельство на изобретение № 1462122. Цифровой термометр / Р.И. Зарипов, A.C. Конопацкий (РФ). - Приоритет от 25.03.1987 г.

2 Авторское свидетельство на изобретение № 1840307. Устройство контрастного инфракрасного излучения / Р.И. Зарипов, Ю.П. Никитин, С.А. Стрельников (РФ). - Приоритет от 18.08.1988 г.

3 Свидетельство на полезную модель № 29155 РФ. Инфракрасный коллиматор / А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, Н.И. Кадыров (РФ). - Приоритет от 18.11.2002.

4 Патент на полезную модель № 32614 РФ. Инфракрасный коллиматор-ный комплекс / А.Г. Бугаенко, Е.Ф. Дедюхин, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, Н.И. Кадыров (РФ). - Приоритет от 26.05.2003 г.

5 Патент на изобретение № 2244950 РФ. Инфракрасный коллиматорный комплекс / А.Г. Бугаенко, Е.Ф. Дедюхин, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, Н.И. Кадыров (РФ). - Приоритет от 26.05.2003 г.

6 Патент на полезную модель № 50010 РФ. Инфракрасный коллиматор /

A.Ф. Белозеров, А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, Н.И. Кадыров,

B.И. Курт (РФ). - Приоритет от 15.03.2005 г.

7 Патент на полезную модель № 51768 РФ. Инфракрасный коллиматорный комплекс / А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, В.И. Курт (РФ). - Приоритет от 24.10.2005 г.

8 Патент на изобретение № 2292067 РФ. Инфракрасный коллиматор /

A.Ф. Белозеров, А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, Н.И. Кадыров,

B.И. Курт (РФ). - Приоритет от 15.03.2005 г.

9 Патент на изобретение № 2305305 РФ. Инфракрасный коллиматорный комплекс / А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, В.И. Курт (РФ). Приоритет от 24.10.2005 г.

Перечень сокращений, условных обозначений, символов и терминов

ВВЕДЕНИЕ '

ГЛАВА 1 Приборы контроля инфракрасных систем

1.1 Контролируемые параметры инфракрасных систем и методы их измерения

1.2 Анализ приборов контроля инфракрасных систем

1.3 Требования к приборам контроля инфракрасных систем

1.4 Постановка задачи

ГЛАВА 2 Метод повышения точности поддержания разности радиационных температур

2.1 Анализ факторов, влияющих на уровень разности радиационных температур

2.2 Метод автоматического поддержания разности радиационных температур в широком диапазоне температур окружающей среды и при непрерывной работе в течение длительного времени

2.3 Выводы к главе

ГЛАВА 3 Исследование характеристик электронных устройств управления, разработка алгоритма работы

3.1 Блок-схема высокоточного электронного устройства управления

3.2 Имитационная модель канала поддержания разности температур

3.3 Алгоритм работы в статическом режиме

3.4 Алгоритм работы в динамическом режиме

3.5 Анализ погрешности поддержания разности радиационных температур

3.6 Выводы к главе

ГЛАВА 4 Варианты исполнения электронных устройств управления приборов контроля инфракрасных систем

4.1 Прибор контроля "Орхон-М"

4.2 Прибор контроля НСИ-КМ

4.3 Прибор контроля "Зерноград"

4.4 Модернизированный прибор контроля ВЭ-1227М

4.5 Контрольно-проверочная аппаратура 9В

4.6 Модернизированная контрольно-проверочная аппаратура

4.7 Контрольно-проверочная аппаратура 9В9001, 9В9001

4.8 Выводы к главе 4 132 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 141 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 143 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 144 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 149 ПРИЛОЖЕНИЕ 5 152 ПРИЛОЖЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ И ТЕРМИНОВ

АЧТ - абсолютно черное тело АЦП - аналого-цифровой преобразователь ВК - выходной каскад . ДТ - датчик температуры ДУ - дифференциальный усилитель ИК - инфракрасный ИКС - инфракрасная система ИС - измеритель сопротивления И Та- измеритель Та

И Тк - измеритель температуры корпуса коллиматора

И Тм - измеритель температуры миры

И ДГ- измеритель АТ

И АТ(МА) - измеритель АТ(МА)

КП - персональный компьютер

КПА - контрольно-проверочная аппаратура

М - мостовая схема

МОРТ - минимально обнаруживаемая разность температур

МРРТ - минимально разрешаемая разность температур

МЧТ - модель черного тела

ОУ - операционный усилитель

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство

ПИД - пропорционально-интегрально-дифференциальный

ПК - прибор контроля

ПН - пульт наблюдателя

ПТ - процессор температурный

ПЦ - устройство принудительной циркуляции

РД - радиатор

PPT - регулятор разности температур РТЭШ — разность температур, эквивалентная шуму, К СКО - среднее квадратическое отклонение ТВП - тепловизионный прибор

ТПХ — температурно-пространственная характеристика ТЧХ — температурно-частотная характеристика ТЭМО - термоэлектронный микроохладитель У - усилитель

УЗ - устройство тепловой защиты УИ - устройство интерфейса УК - управляющий контроллер УС - устройство сопряжения Ф - формирователь

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь ЭУУ — электронные устройства управления F - фокусное расстояние, мм I- ток, А

К- статический коэффициент передачи Р - доверительная вероятность R - сопротивление, Ом S - среднее квадратическое отклонение Та - температура окружающей среды Тк - температура корпуса коллиматора t - время чистого запаздывания, с U - напряжение, В W- передаточная функция а - коэффициент теплоотдачи, К/Вт

АТ - разность термодинамических температур фонового излучателя и миры, К

АТМ - разность радиационных температур фонового излучателя и миры, К

АкТ(МА) - разность термодинамических температур фонового излучателя и окружающей среды , К

ДАТм - разность радиационных температур фонового излучателя и окружающей среды, К е - коэффициент излучения г] - коэффициент полезного действия - граница неисключенной систематической погрешности

Я - длина волны оптического излучения, мкм р - коэффициент отражения т - коэффициент пропускания

Расширяющийся круг военных и гражданских задач, при решении которых используются инфракрасные (тепловизионные и теплопеленгационные) системы, успехи полупроводниковой техники привели к качественному скачку, результатом которого стало появление в последние 5-10 лет инфракрасных систем (ИКС), имеющих значительно, более высокие по сравнению с ранее разработанными, характеристики по температурной чувствительности и пространственному разрешению, являющиеся основными для ИКС [1-6].

Испытания и контроль качества ИКС в процессе разработки, производства и эксплуатации проводятся с помощью приборов контроля (ПК) ИКС, состоящих из оптической и электронной частей и формирующих оптический инфракрасный сигнал с нормированными пространственными размерами и величинами разности радиационных температур (АТМ).

Создание современного ПК невозможно без разработки качественной оптической части и высокоточного электронного устройства управления (ЭУУ) [7, 8, 9].

Данная работа посвящена вопросам исследования путей и разработки новых технических решений, позволяющих повысить точность ПК ИКС за счет усовершенствования их ЭУУ.

Актуальность работы заключается в том, что на большинстве отечественных предприятий, занимающихся разработкой и производством ИКС, наблюдается острая нехватка современных высокоточных ПК (обеспечивающих высокую точность воспроизведения и поддержания ÍSTM), что приводит к значительному риску заказчика получить ИКС, не соответствующие их паспортным данным, к потере ценной информации или к неоднозначности ее идентификации.

Ряд зарубежных компаний (Electro Optical Industries Inc, CI Systems Inc USA и др.) предлагают достаточно широкую номенклатуру измерительного оборудования. Однако, приобретение импортной измерительной техники требует значительных материальных затрат, решения вопросов ремонта и метрологического обеспечения (проведение периодических поверок), что может иметь непредсказуемые последствия, особенно при решении оборонных задач. Кроме того, предлагаемые на международном рынке импортные приборы предназначены для работы, как правило, в лабораторных условиях, что часто неприемлемо.

Для создания современных отечественных ПК необходима разработка высокоточных ЭУУ. Наличие достаточно универсальных ЭУУ дает возможность получить не только различные модификации новых ПК, но и обеспечивает возможность переоснащения (модернизации) большого количества систем, разработанных и изготовленных в 1980-х - 1990-х годах, например, таких как ВЭ-1227, "Орхон" и др., имеющих дорогостоящую и качественную оптику. Такая модернизация при сравнительно малых материальных затратах на замену устаревших электронных систем управления на современные ЭУУ позволяет получить высокоточные ПК.

Цель работы - повышение качества и достоверности измерения и контроля характеристик ИКС в процессе их разработки, производства и эксплуатации за счет создания высокоточных ПК.

Научная задача диссертации (задача научного исследования) -разработка приборов и средств повышения точности контроля ИКС, решаемая последовательно в следующих направлениях:

1. Анализ характеристик существующих зарубежных и отечественных ПК и формирование на основе анализа общих требований к ПК в части ЭУУ.

2. Анализ факторов, влияющих на величину АТМ на оптическом выходе ПК, и разработка метода стабилизации АТМ.

3. Определение требуемых характеристик функциональных элементов ЭУУ с точки зрения их устойчивости и точности поддержания АТМ.

4. Разработка алгоритмов работы ЭУУ в режиме поддержания постоянного значения АТМ (статическом) и в режиме автоматического изменения АТМ по заданному оператором закону (динамическом), обеспечивающих требуемую точность и оперативность работы ПК.

5. Разработка на основе предложенного метода стабилизации АТМ и алгоритмов работы серии новых ЭУУ, их испытание и внедрение в практику.

Методы исследования

При решении научной задачи диссертации использовались методы имитационного моделирования, теории управления и устойчивости, теории измерений, статистического анализа, методы экспериментальных исследований и испытаний.

Научная новизна работы

1. Впервые разработан метод поддержания заданной величины ДТм при работе в широком диапазоне температур окружающей среды, а также при непрерывной работе в течение длительного времени, основанный на автоматическом изменении АТ (в соответствии с данными индивидуальной калибровки ПК), компенсирующем влияние на АТМ возникающих при работе в указанных условиях дестабилизирующих факторов.

2. Разработаны блок-схема и созданная на ее основе имитационная модель ЭУУ, позволяющие с учетом характеристик фонового излучателя и зависимости точностных характеристик используемого в ЭУУ сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя (АЦП) от частоты его опроса определять значения параметров и режимы работы отдельных звеньев ЭУУ, обеспечивающие требуемую устойчивость устройства и точность поддержания АТМ.

3. Разработаны алгоритмы работы ЭУУ в статическом и динамическом режимах, обеспечивающие требуемую точность измерений и оперативность работы ПК.

Практическая ценность работы

Разработанные методы и средства позволили в 8 раз повысить точность поддержания АТм, обеспечили работу созданных ПК в широком диапазоне температур окружающей среды (от минус 40 °С до + 50 °С) в течение длительного времени непрерывной работы, позволили сократить временные и материальные затраты при проведении испытаний ИКС за счет автоматизации процессов измерений, обработки и хранения результатов измерений.

Разработанные ЭУУ позволяют создавать новые конкурентно способные ПК и проводить модернизацию существующих.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов имитационного моделирования с результатами экспериментальных исследований созданных вариантов ПК, а также опытом применения разработанных ПК на предприятиях отрасли и в зарубежных организациях.

Реализация результатов:

- результаты исследований использованы в ФГУП "НПО ГИПО" при создании высокоточных ПК типа НСИ-К, НСИ-КМ, НСИ-КМУ, Измеритель-ЗЦ, Орхон-М, ВЭ-1227М, "Зерноград", внедренных на предприятиях отрасли (ГУП "КБП" г. Тула, ФГУП ПО "УОМЗ" г. Екатеринбург, ФГУП "ЦКБ "Точприбор" г. Новосибирск, ФГУП 3 ЦНИИ МО РФ г. Москва, ФГУ 32 ГНИИИ г. Мытищи) и в зарубежных организациях ("Промышленный центр оптики", Республика Польша, г. Варшава, Кунминьский институт физики, Китайская народная республика, г. Кунминь);

- разработанный метод использован в серийно выпускаемых образцах контрольно-проверочной аппаратуры (КПА) 9В679, 9В679М1, 9В679-3,

9В9001, 9В9001-01, предназначенньж для контроля работоспособности ИКС в процессе эксплуатации в составе отечественных противотанковых ракетных комплексов, в модернизированной КПА 9В679.

Личный вклад

Настоящая диссертация представляет собой обобщение многолетних исследований автора в области создания ЭУУ приборов контроля ИКС. Автор являлся идеологом данного направления, заместителем Главного конструктора приборных комплексов в части ПК, принимал непосредственное участие в разработке, изготовлении и внедрении ПК на предприятиях отрасли и в зарубежных организациях. Автором на основании теоретических и экспериментальных исследований самостоятельно получены математические выражения зависимости АТМ от различных факторов, разработан метод повышения точности поддержания АТМ. Также самостоятельно автором разработаны блок-схемы и принципиальные схемы наиболее важных блоков всех представленных в диссертации ЭУУ, алгоритмы их работы.

Апробация работы

Основное содержание диссертации докладывалось на XVIII, XIX и XX Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий" (г. Казань, 2006, 2007, 2008 гг.), на отраслевых конференциях и семинарах ФГУП "НПО ГИПО".

ПК, выполненные с использованием результатов данной работы, и рекламные материалы по ним неоднократно демонстрировались на международных выставках вооружений и военной техники и технологий двойного назначения ЮЕХ 2001 (2001 г.), ШЕХ 2003 (2003 г.) г. Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты; МАКС 2003 (2003 г.), МАКС 2005 (2005 г.), г. Жуковский, Россия; ГОЕЬР-2004 (2004 г.) г. Москва, Россия; МЭРО 95, г. Кельце, Республика Польша; УТТУ 99, г. Омск, Россия; ОБА

2002 (2002 г.), г. Куала-Лумпур, Малайзия; ГОЕБ 99 (1999 г.), г. Анкара, Турция; ГОЕТ 99 (1999 г.), г. Брно, Чехия и многих других.

Публикации

Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 3 научных статьях (из них 2 статьи в издании из списка ВАК РФ), 3 тезисах докладов, 2 свидетельствах на изобретение, 3 патентах на изобретение, 1 свидетельстве на полезную модель, 3 патентах на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 47 наименований, и приложений.

4.8 Выводы к главе 4

1. Возможны различные способы реализации предложенного метода поддержания А Тм (в широком диапазоне Та в течение длительного времени) в части определения (на основании данных индивидуальной калибровки и с учетом измеренных текущих значений А Т(МА) и Та) текущего значения А Т, необходимого для получения на оптическом выходе ПК заданной величины расчетный; табличный; аналоговый.

2. При создании ПК, предназначенных для точного измерения характеристик ИКС в широком диапазоне Та, наиболее приемлемым является расчетный способ.

3. Использование табличного и аналогового способов оправдано в КПА, когда необходимо поддерживать ограниченное число значений ДГЛ, причем, табличного - в случае работы в широком диапазоне Та, аналогового - в сравнительно узком диапазоне Та.

4. Предложенные ЭУУ (особенно использующие расчетный способ) достаточно универсальны и могут использоваться при создании новых ПК и модернизации существующих.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты диссертационной работы:

Основным результатом исследований и разработок, включенных в данную диссертацию, является достижение автором цели работы -повышение качества и достоверности измерения характеристик инфракрасных систем в процессе их разработки, производства и эксплуатации за счет создания высокоточных приборов контроля.

В ходе работы были решены следующие задачи:

1. На основе проведенного анализа характеристик зарубежных и отечественных приборов контроля, перспектив их развития, а также с учетом появления в последние годы инфракрасных систем со значительно более высокими (по сравнению с ранее разработанными) параметрами по температурной чувствительности и пространственному разрешению сформированы требования к приборам контроля в части электронных устройств управления.

2. В результате проведенного анализа факторов, влияющих на уровень разности радиационных температур на оптическом выходе прибора контроля (АТм), установлено, что для обеспечения требуемой для контроля современных инфракрасных систем точности поддержания /\ТМ необходимо, помимо учета оптических характеристик элементов коллиматора прибора контроля и разности термодинамических температур фонового излучателя и. миры, дополнительно учитывать температуру окружающей среды и разность термодинамических температур миры и окружающей среды. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что с требуемой точностью соотношения между ЬТМ и влияющими на нее факторами могут быть получены лишь в результате индивидуальной калибровки каждого прибора контроля. Получена система типовых зависимостей, позволяющая определить величину АТм при различных значениях влияющих на нее факторов. Зависимости представлены в виде, удобном для их коррекции по результатам калибровки.

Впервые на основе полученных зависимостей предложен и разработан метод поддержания заданной величины АТМ при работе в широком диапазоне температур окружающей среды, а также при непрерывной работе в течение длительного времени, основанный на автоматическом изменении разности термодинамических температур фонового излучателя и миры, компенсирующем влияние на АТМ дестабилизирующих факторов, возникающих при работе в указанных условиях.

3. На базе разработанной блок-схемы прибора построена имитационная модель электронного устройства управления, позволяющая с учетом характеристик фонового излучателя и зависимости точностных характеристик сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя от частоты его опроса определять значения параметров отдельных звеньев устройства, обеспечивающие его устойчивость и требуемую точность поддержания АТм.

4. Разработаны алгоритмы работы электронного устройства управления в режиме поддержания постоянного значения А Тм (статическом) и в режиме автоматического изменения АТМ по заданному оператором закону (динамическом), позволяющие достигать требуемой точности выхода на заданное значение АТМ и его поддержания с одновременным сохранением требуемой устойчивости устройства, а также обеспечивающие оперативность работы прибора контроля за счет автоматизации большинства операций измерения, обработки и хранения данных.

5. Для реализации предложенного метода разработаны различные способы (расчетный, табличный, аналоговый) определения (на основании данных индивидуальной калибровки и с учетом текущих значений температуры окружающей среды и разности термодинамических температур миры и окружающей среды) текущего значения разности термодинамических температур фонового излучателя и миры, необходимого для получения заданной величины АТМ.

Предложены критерии выбора каждого из способов.

6. На основе проведенных исследований и предложенных технических решений разработан, изготовлен и после метрологической аттестации внедрен на предприятиях отрасли, в специальных лабораториях военных НИИ, на полигонах и, в рамках международного научно-технического сотрудничества, в зарубежных организациях ряд приборов контроля, в которых достигнуто (на примере прибора "Орхон-М" в сравнении с прибором "Орхон"):

- уменьшение погрешности поддержания АТм - в 8 раз;

- уменьшение шага задания АТМ - в 10 раз (до 0,01 К);

- возможность поддержания с требуемой точностью заданного значения АТМ в широком диапазоне температур окружающей среды (минус 40 . 50°С) в течение длительного времени непрерывной работы (погрешность поддержания не более 12 мК при \АТМ\ < 2 К);

- возможность работы в динамическом режиме;

- возможность получения отрицательных значений АТм;

- возможность работы одновременно 5 операторов;

- осуществление автоматической обработки и хранения результатов измерений.

Предложенные технические решения защищены 2 авторскими свидетельствами на изобретение, 3 патентами РФ на изобретение, рядом патентов и свидетельств РФ на полезную модель [38 - 47].

Автор выражает благодарность за научное консультирование при работе над диссертацией доктору технических наук Курту Виктору Ивановичу.

1. Белозеров А.Ф., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Современные направления применения ИК-радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике // Оптический журнал. 1998. - №6. - с. 16-27.

2. Мухамедяров Р. Д., Антошкин В.Х. и др. Бортовые многофункциональные радиометры для дистанционного зондирования земных поверхностей // Тезисы докладов Международной конференции по измерительной технике. М. 1992 с. 34.

3. Мухамедяров Р.Д., Краснов Г.А., Горбунов Н.И. Результаты натурных съемок, полученных космической ИК-аппаратурой дистанционного зондирования и рекомендации по их использованию // Оптический журнал. -1993. -№3. с. 33-35.

4. Алеев P.M., Овсянников В.А., Чепурский В.Н. Воздушная тепловизионная аппаратура для контроля нефтепродуктопроводов. М. Недра., 1995. 160 с.

5. Макаров A.C. НПО ГИПО лидер российского тепловидения // Военный парад - 1996 - ноябрь - декабрь - с. 42-45.

6. Бугаенко А.Г. Аппаратура для оценки характеристик тепловизионных систем // Оптический журнал, Т.69.- №4. 2002. - с. 19-25.

7. Бугаенко А.Г., Зарипов Р.И. Электронные устройства управления высокоточными измерительными системами // Оптический журнал. 2002. -Т.69. -№4. - с. 26-30.

8. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа // Москва, «Лотос» 2004 г. - 444 с.

9. ОСТ ВЗ-5224-82. Приборы тепловизионные. Методы измерения основных параметров Per. № В7798 от 05.01.83г.; Введен с 01.01.83г. - 41 с.

10. MIL STD - 1859. Military Standart Thermal Imaging Devices Performance Parameters. - 1981.

11. OCT 3-4408-91. Приборы тепловизионные медицинские. Методы измерения основных параметров. Взамен ОСТ 3-4408-82; Введен с 01.05.92г.-57 с.

12. ОСТ 3-6305-87. Тепловизоры медицинские. Термины и определения. Введен 01.01.88г. ИП№ 537 от 22.01.87г. 17 с.

13. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983.- 696 с.

14. Тепловидение в медицине // Труды Всесоюзной конференции «Тепловизионная медицинская аппаратура, направления развития и практика ее применения» ТеМП-79, Москва, 23 28 октября 1979г. - Л., 1981, - 4.1. -189 с.

15. ГОСТ 27675-88. Приборы тепловизионные. Термины и определения. Введен с 01.07.1989г. -М.: Госстандарт, 1988. 14с.

16. Бугаенко А.Г., Иванов В.П., Омелаев А.И., Тевяшов В.И., Филиппов В.Л. Физические основы и техника измерений в тепловидении // Казань, «Отечество» 2003г. - с. 350.

17. Пивовар и др. Установка для измерения и контроля параметров тепловизоров // Труды Всесоюзной конференции «Тепловизионная медицинская аппаратура, направления развития и практика ее применения» ТеМП-85, Москва, 1985 Л„ ГОИ, 1985.

18. Ллойд Дж. Системы тепловидения М. Мир. 1978 - 414 с.

19. ГОСТ 7601-78. Физическая оптика. Термины, буквенные обозначения и определения основных величин. Введен с 01.01.80. М.: ИПК Издательство стандартов, 1978г. - 16 с.

20. Курт В.И., Бугаенко А.Г., Павлюков Е.К. Калибровка испытательного стенда НСИ-К по разности радиационных температур //

21. Тезисы 12-ой научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". -М., 1999.- С. 11.

22. Курт В.И. Методы калибровки по разности радиационных температур испытательных стендов и КПА тепловизионных приборов // Тезисы и программа Международной конференции "Прикладная оптика-98", Санкт Петербург, 16-18 декабря 1998 г. С-Пб., 1998. - С. 103.

23. Курт В.И., Холопов Г.К., Новоселов В.А. Анализ методов калибровки ИК-излучателей по радиационной температуре // Тезисы 12-ой научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". -М., 1999.- С. 9.

24. Макаров A.C., Омелаев А.И., Филиппов B.JI. Введение в технику разработки и оценки сканирующих тепловизионных систем. Казань, Унипресс, 1998, 318 с.

25. Самсонов Г.В., Киц А.И. и др. Датчики для измерения температуры в промышленности. Киев, Наукова думка, 1972, 224 с.

26. Малов В.В. Пъезорезонансные датчики, Москва, «Энергия», 1978 248 с.

27. Авторское свидетельство на изобретение № 1462122. Цифровой термометр / Р.И. Зарипов, A.C. Конопацкий (РФ). Приоритет от 1988 г.

28. Технические условия ТУ25-7558.007-86 Элементы термометрические платиновые типа ЭЧП-0183. Введены 15.02.87 г.

29. Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа, Москва, «Додека», 1996 384 с.

30. Технические условия У 20.296.000 ТУ. Микроохладители твердотельные электронные ТЭМО-5, ТЭМО-5А, ТЭМО-6, ТЭМО-6А. Утверждены 10.05.78.

31. Каргу Л.И., Литвинов А.П. и др. Основы автоматического регулирования и управления, Москва, «Высшая школа», 1974 439 с.

32. Певзнер В.В. Прецизионные регуляторы температуры, Москва, 1973г., 192 с.

33. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений. Метрологическая справочная книга. Лениздат, 1987г., 296 с.

34. ГОСТ 11.002-73 Правила оценки анормальности результатов наблюдений. Срок введения 1.01.74г.

35. Технические условия ОЖ0.467.099 ТУ. Резисторы постоянные непроволочные С2-29В. Введены 6.06.86г.

36. Зарипов Р.И., Курт В.И., Бугаенко А.Г. Высокоточное электронное устройство управления инфракрасными измерительными комплексами // Электронное приборостроение. Научно-практический выпуск. 1 (46). Казань. 2006, стр. 24-28.

37. Патент на изобретение № 2305305 РФ. Инфракрасный коллиматорный комплекс / А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, В.И. Курт (РФ). Приоритет от 24.10.2005 г.

38. Патент на полезную модель № 51768 РФ. Инфракрасный коллиматорный комплекс / А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, В.И. Курт (РФ). Приоритет от 24.10.2005 г.

39. Патент на изобретение № 2244950 РФ. Инфракрасный коллиматорный комплекс / А.Г. Бугаенко, Е.Ф. Дедюхин, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, Н.И. Кадыров (РФ). Приоритет от 26.05.2003 г.

40. Патент на полезную модель № 32614 РФ. Инфракрасный коллиматорный комплекс / А.Г. Бугаенко, Е.Ф. Дедюхин, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, Н.И. Кадыров (РФ). Приоритет от 26.05.2003 г.140

41. Бугаенко А.Г., Зарипов Р.И. Модернизированный высокоточный измерительный стенд ВЭ-1227М // Оптический журнал. 2007. - Т.74. - №1. С. 21-24.

42. Авторское свидетельство на изобретение № 1840307. Устройство контрастного инфракрасного излучения / Р.И. Зарипов, Ю.П. Никитин, С.А. Стрельников (РФ). Приоритет от 18.08.1988 г.

43. Свидетельство на полезную модель № 29155 РФ. Инфракрасный коллиматор / А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, Н.И. Кадыров (РФ). -Приоритет от 18.11.2002.

44. Патент на полезную модель № 50010 РФ. Инфракрасный коллиматор / А.Ф. Белозеров, А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, Н.И. Кадыров, В.И. Курт (РФ). Приоритет от 15.03.2005 г.

45. Патент на изобретение № 2292067 РФ. Инфракрасный коллиматор /

46. A.Ф. Белозеров, А.Г. Бугаенко, Р.И. Зарипов, В.П. Иванов, Н.И. Кадыров,

47. B.И. Курт (РФ). Приоритет от 15.03.2005 г.