Энерго-информационное моделирование волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Плешакова, Людмила Александровна

• Плешакова, Людмила Александровна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Плешакова, Людмила Александровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ состояния рынка и классификация волоконно-оптических датчиков

1.1. Анализ волоконно-оптических датчиков по измеряемым параметрам

1.2. Классификация волоконно-оптических датчиков.

1.3. Физический принцип действия волоконно-оптических преобразователей

1.4. Волоконно-оптические датчики фазовой модуляции

1.5. Анализ оптических волокон как структурного элемента волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции

1.6. Анализ проведенных научных исследований рассматриваемой предметной области

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Разработка энерго-информационной моделей внутрицепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции.

2.1. Основы теории энергоинформационной модели цепей.

2.2. Аппарат параметрических структурных схем (ПСС)

2.3. Определение величин-аналогов и параметров-аналогов оптической цепи

2.4. Энергоинформационная модель линии с распределенными параметрами

2.5. Определение погрешности расчета выходных параметров

Выводы по главе щ

ГЛАВА 3. Межцепные преобразования в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции

3.1. Эффект фотоупругости

3.2 Электрооптический эффект Керра

3.3. Магнитооптический эффект.

3.3. Электрооптический эффект Поккельса.

3.5. Эффект Саньяка

3.6. ФТЭ излучения

3.7. Эффект фото детектирования (фотоэффект)

3.8. Паспорта физико-технических эффектов

3.9. Моделирование волоконно-оптического датчика магнитного поля

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Разработка алгоритмов синтеза физического принципа действия волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции.

4.1. Требования к алгоритмам синтеза физического принципа действия волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции.

4.2. Синтез вариантов ПСС с использованием вспомогательных графов.

4.3. Алгоритмы синтеза вариантов ПСС

4.4. Синтез вариантов ФПД

4.5. Сокращение пространства поиска вариантов ФПД

4.6. Расчет критериев оценки, синтезированных вариантов ФПД волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции

4.7. Требования к критериям оценки синтезированных вариантов ФПД.

4.8. Оптимизация синтеза ФПД новых технических решений

4.9. Задачи и методы критериального выбора.

4.10. Нормирование критериев

4.11. Однокритериальная оптимизация

4.12. Многокритериальная оптимизация

4.13. Способы формирования обобщенного показателя.

4.14. Ранжирование синтезированных вариантов ФПД по совокупности эксплуатационных характеристик

4.15. Выбор альтернативы методом парного сравнения

4.16. Метод идеальной точки.

4.17. Многокритериальный отбор по принципу Парето

Выводы по 4 главе

ГЛАВА 5. Автоматизированный синтез вариантов физического принципа действия волоконно-оптических датчиков

Выводы по 5 главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энерго-информационное моделирование волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции»

В настоящее время во всем мире интенсивно ведутся работы по Ш созданию волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации. В таких системах используются волоконно-оптические датчики-преобразователи различных физических величин. Бурное развитие волоконно-оптических систем сбора информации связано как с особенностями различных отраслей науки и техники, так и с замечательными свойствами этих систем. Они искро- и пожаро- безопасны, устойчивы к электромагнитным помехам, малогабаритны, потребляют мало энергии. Они также позволяют создавать как локальные так и распределённые на большом пространстве чувствительные элементы и системы непрерывного контроля. Особенно перспективны волоконно-оптические датчики (ВОД) во взрывоопасных производствах, системах экологического мониторинга, предприятиях с вредными и пожароопасными производствами.

В ближайшие годы волоконно-оптические датчики заменят во многих ^ областях традиционные датчики [1]. Сегодня эти датчики применяются в таких областях, как нефтеперерабатывающая промышленность, нефтегазовая добыча, медицина, аэрокосмической отрасли, энергетика и т.д.

Во многих странах интенсивмо ведутся работы по созданию волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации, в которых применяются ВОД различных физических величин [1,2,6, 11-78].

По данным маркетингового агентства Frost&Sullivan, ежегодные мировые продажи ВОД в последние годы составляют около $2.5 млрд с ежегодным приростом 11% по всем отраслям промышленности. По оценкам Японской Ассоциации Развития Оптоэлектронной Промышленности и Технологии, к 2010 году объемы продаж ВОД возрастут до $5 млрд. fi Исследованием ВОД занимались многие отечественные (В.И. Бусурин,

Ю.Р. Носов, М.М. Бутусов, С.Л.Галкин, С.П. Орбинский) и зарубежные (Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, X. Исихара, К. Кома, К. Хаттэ, Дж. Стерлинг) ученые. Результаты их работ используются для конструирования и расчета этих преобразователей. Однако на ранних стадиях проектирования чувствительных элементов перед конструктором возникает ряд важных и трудоемких задач: поиск нового физического принципа действия (ФПД), разработка конструктивного решения, сравнение нескольких решений и выбор лучшего по некоторым критериям. Качество проектных решений во многом определяется результатами начальных этапов проектирования, на которых принимаются основополагающие решения о структуре и принципе действия проектируемого объекта. Начальные этапы проектирования характеризуются значительными объемами информации, используемой разработчиками, большим количеством прорабатываемых вариантов реализации. Решение этих задач при отсутствии средств автоматизации процесса проектирования становится чрезвычайно сложным. Поэтому для сокращения временных и материальных затрат и снижения трудоемкости процесса поискового конструирования преобразователей и их элементов актуальной становится задача автоматизации синтеза ФПД новых технических решений, что требует универсальных методов их описания. Решением этой задачи занимались такие ученые как Г.С. Альтшуллер, Р. Колер, В.Н. Глазунов, А.И., М.Ф. Зарипов, И.Ю. Петрова, А.И. Половинкин, A.M. Дворянкин, В.А. Камаев, С.А. Фоменков и др.

Одним из эффективных методов решения этой проблемы является созданная М.Ф. Зариповым теория энерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ), позволяющая описывать преобразования любой физической природы с помощью уравнений, инвариантных к самой природе. Информационной основой теории энергоинформационных моделей цепей (ЭИМЦ) является банк данных физико-технических эффектов (ФТЭ) [5]. Увеличение объема информации в банке данных, связанное с появлением новых ФТЭ, увеличивает количество изобретений новых промышленных образцов, что значительно расширяет возможности эффективного синтеза новых технических решений и анализа существующих конструкций. Пополнение имеющегося банка данных хотя бы одним ФТЭ позволяет получить большое количество новых вариантов физического принципа действия (ФПД) датчиков.

Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что волоконно-оптические датчики фазовой модуляции (ВОД ФМ) на данный момент рассматриваются как наиболее перспективные для целей метрологии

1 измерительные устройства, способные обеспечить наибольшую чувствительность при определении параметров разнообразных физических полей.

На основании теории ЭИМЦ проведены научные исследования поляризационных явлений в ВОД. Однако специфика волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции не позволяет применить полученные результаты для синтеза данного класса преобразователей. В связи с этим научные исследования, направленные на моделирование и синтез волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции, являются актуальными.

Целью диссертационной работы является разработка моделей, алгоритмического и программного обеспечения для автоматизации синтеза физического принципа действия волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции.

V* Для достижения поставленной цели в диссертационной работе осуществляется решение следующих задач:

1. Разработка энерго-информационных моделей оптических внутрицепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции.

2. Разработка энерго-информационных моделей оптических межцепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции.

3. Разработка паспортов физико-технических эффектов волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции.

4. Разработка алгоритмов синтеза физического принципа действия новых технических решений с учетом конструктивных особенностей волоконно-оптических датчиков.

5. Создание автоматизированной системы синтеза новых технических решений на основе разработанных алгоритмов.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Плешакова, Людмила Александровна

5. Результаты работы используются в учебном процессе в Астраханском государственном техническом университете на специальности «Управление и информатика в технических системах» для преподавания дисциплин

I «»Автоматизация проектирования систем и средств управления»,

Технические средства автоматизации и управления», «Моделирование систем».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным итогом диссертационной работы является разработка энергоинформационных моделей волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции, алгоритмов синтеза физического принципа действия этих датчиков. В результате проведенных исследований создана автоматизированной системы синтеза новых технических решений, которая позволяет увеличить количество синтезируемых решений на 20%.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработаны энерго-информационные модели оптических внутрицепных и межцепных преобразований в ВОД ФМ, которые позволили моделировать волоконно-оптические датчики фазовой модуляции.

2. Разработаны паспорта ФТЭ, которые позволили структурировать информацию по ним для ввода в базу данных и использования ее при синтезе, что привело к увеличению количества синтезируемых решений.

3. Разработаны алгоритмы синтеза учитывающие конструктивные особенности волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции, которые позволили создать автоматизированную систему синтеза новых технических решений.

4. Создана автоматизированная система синтеза новых технических решений, которая внедрена в институте АстраханьНИПИгаз. Система позволила повысить производительность начальных этапов проектирования на 15%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Плешакова, Людмила Александровна, 2007 год

1. Окоси Т, Окамото К. и др. Волоконно-оптические датчики. -Л.:Энергоатомиздат, 1990.

2. Бутусов М.М., Галкин С.Л., Орбинский С.П., Пал Б.П. Волоконная оптика и приборостроение. Л.: Машиностроение, 1987.328 с.

3. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические датчики и измерительные сети. Владивосток: Дальнаука, 1999.

4. Детлаф А. А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. Пособие для втузов 4-е изд., испр. - М.: Высш.шк., 2002.

5. Зарипов М.Ф., Зайнуллин Н.Р., Петрова И.Ю. Энерго-информационный метод научно-технического творчества / Учебно-метод. Пособие / М.: ВНИИПИ, 1988.124 с.

6. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат, 1990.256с.

7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник. 10-е изд., стереотипное. - М.: Гардарики,2003.

8. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи, М.:ВШ., 1978

9. Дворядкин A.M. К вопросу построения интегрированной системы автоматизации проектирования жизненного цикла объектов техники. В кн.: «Методы поискового конструирования в системах автоматизированного проектирования» Йошкар-Ола: МарГУ, 1986.

10. Дворядкин A.M. Автоматизация поискового конструирования. Модели, > задачи, алгоритмы. Диссертация доктора технич. Наук. Вогоград, 1996.

11. Plastic optical fibre sensors and devices. Bartlett Rebecca J., Philip-Chandy Rekha, Eldridge Piers, Merchant David F., Morgan Roger, Scully Patricia J. Trans. Inst. Meas. and Contr. 2000.22, № 5, P. 431-457.

12. Fiber optic voltage sensor based on the photoelastic effect in single-mode optical fiber. Kim Hoseong, Jun Jinwoo. Opt. Eng. 2000.39, № 12, c. 3281-3284.

13. Robert W. Bogue/ The role of materials in advanced sensor technology/ Sensor Review/ 2002/ Vol.22, №4. P.289-299.

14. M.Schmidlin E.M. Fiber-optic components for single-mode fiber optic sensors// SPIE, 1996. V. 2872. P. 12.

15. Kersey A.D. A review of recent development in fiber optic sensor technology// Opt. fiber techn/? 1996. V. 2, №3.

16. Фоменков С. А., Давыдов Д. А, Камаев В. А. Моделирование и автоматизированное использование структурированных физических знаний: монография. ВолгГТУ. М.: Машиностроение-1,2004.

17. Концептуальное проектирование. Развитие и совершенствование методов. Коллективная монография под редакцией Камаева В.А. М

18. Петрова И.Ю. Энерго-информационный метод анализа и синтеза чувствительных элементов систем управления. Диссертация на соискание доктора технических наук, Самара, 1996.

19. Квятковская И.Ю. Теория принятия решений. Издательство ООО «ЦНТЭП» Астрахань 2002.

20. Емельянов С.В. Многокритериальные методы принятия решений. М.: Наука, 1985.

21. Евланов Л.Г. Теория и практика принятия решений. М.: МИФИ, 1981.

22. Ленк А. Электромеханические системы: Системы с распределенными параметрами Пер. с нем. М.: Энергоиздат, 1982.

23. Петрова И.Ю. Энерго-информационный метод анализа и синтезачувствительных элементов систем управления. Диссертация на соискание степени доктора технических наук, Самара, 1996 г.

24. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник для студентов электротехнических специальностей вузов. 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1978.

25. Шикульская О.М., Распределенные энергоинформационные модели упругих элементов микроэлектронных преобразователей давления. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Астрахань, 2000 г.

26. Шикульская О.М., Плешакова Л.А. Определение погрешностей различных структур цепей с применением аппарата параметрических структурных схем// Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2006. - №5. С. 14-17.

27. Шикульская О.М., Плешакова Л.А. Расчет чувствительности элементов с распределенными параметрами//Авиакосмическое приборостроение. 2006 №11.

28. Шикульская О.М., Плешакова Л.А. Анализ волоконно-оптических датчиков, используемых в интеллектуальных системах // Информационные технологии в образовании, технике и медицине. Сб. материалов Международн. науч. конф.: В. 3 т. Т.2. Волгоград. - 2004.

29. Плешакова Л.А. Влияние выбора материалов на достижение требуемых характеристик в волоконно-оптических датчиках// Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-18. Сб. трудов XVIII Международн. науч. конф.: В 10 т. Т. 4. Казань, 2005.

30. Плешакова Л.А. Применение энергоинформационного метода при проектировании волоконно-оптических датчиков// Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-18. Сб. трудов XVIII Международн. науч. конф.: В 10 т. Т. 4. Казань, 2005.

31. Шикульская О.М., Плешакова Л.А. Математическое моделирование оптической цепи// Научное творчество молодежи: Материалы X Всероссийской научно-практической конференции Ч. I. Томск: Изд-во ун-та, 2006.

32. Шикульская О.М., Плешакова Л.А. Моделирование внутрицепных преобразований оптической природы// Надежность и качество: Трудымеждународного симпозиума. В 2-х томах. Том 1. Пенза: Изд-во Пенз. Гос. унта, 2006.

33. Киселев А.А. Энерго-информационные модели оптических поляризационных явлений Диссертация на соискание степени кандидата технических наук, Астрахань, 2006 г.