Приборы и средства повышения точности контроля инфракрасных систем

Размещено на http://www.allbest.ru

21

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПРИБОРЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ КОНТРОЛЯ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Зарипов Ренат Исламович

Казань 2009 г.

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

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д.10, 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.

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 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. 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 (?Т_м).

На большинстве отечественных предприятий, занимающихся разработкой и производством ИКС, наблюдается острая нехватка ПК, обеспечивающих необходимую для контроля современных ИКС точность воспроизведения и поддержания ?Т_м, 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 ?Т_м 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. контроль электронный высокоточный устройство

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 (?Т_м), и разработка метода стабилизации ?Т_м.

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

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

5. Разработка на основе предложенного метода стабилизации ?Т_м 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 ?Т_м 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 (?Т) (в соответствии с данными индивидуальной калибровки ПК), компенсирующем влияние на ?Т_м 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 ?Т_м.

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 ?Т_м, 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-3Ц, 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 ХХ 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.), IDEX 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 ?Т_м от различных факторов, разработан метод повышения точности поддержания ?Т_м. 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 ?Т (от минус 10 К до + 10 К) и высокую точность поддержания ?Т (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 ?Т с достаточно большой погрешностью (погрешность поддержания ?Т ± 0,2 К). К общим недостаткам зарубежных и отечественных ПК можно отнести то, что данные системы измеряют и поддерживают не ?Т_м, а ?Т, 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 ?Т_м температуры окружающей среды (Т_а) и возникающей в результате теплового влияния фонового излучателя на миру разности температур миры и окружающей среды (?Т(МА)), что не позволяет обеспечить требуемую точность поддержания ?Т_м в широком диапазоне Т_а 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 ?Т_м, предложен метод поддержания постоянного уровня ?Т_м в различных условиях эксплуатации.

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

Размещено на http://www.allbest.ru

21

Рис. 1. Обобщенная блок-схема ПК.

1 - задатчик ?Т_м; 2 - устройство поддержания ?Т_м; 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_а, контрастный поток излучения, который формируется (коллимируется) объективом и в виде сигнала с определенными пространственными размерами и определенным значением ?Т_м поступает на вход исследуемой ИКС. Основная задача ЭУУ - поддержание ?Т, обеспечивающей на оптическом выходе ПК требуемое значение ?Т_м.

Величина ?Т_м зависит в большой степени от характеристик оптических элементов коллиматора, которые можно считать постоянными в течение времени между калибровками ПК, и ?Т, обусловленной принудительным нагревом (охлаждением) фонового излучателя. Кроме того, показано, что на величину ?Т_м существенное влияние оказывают Т_а и температура миры (Т_м), при этом, важно не абсолютное значение Т_м, а разность температур между мирой и окружающей средой (?Т(МА)).

На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что с требуемой точностью соотношения между ?Т_м и ?Т, Т_а, ?Т(МА) могут быть получены лишь при индивидуальной калибровке ПК по уровням ?Т_м (в пределах рабочего диапазона ?Т_м) во всем рабочем диапазоне Т_а в течение времени, необходимого для установления внутри коллиматора температурного равновесия. При этом, предложено при калибровке использовать значения ?Т, Т_а и ?Т(МА), измеренные ЭУУ калибруемого ПК, что компенсирует определенную часть систематических погрешностей ЭУУ и устраняет необходимость отдельной калибровки контрольных датчиков температуры.

Предложено для расчета ?Т_м (для случая Т_а = Т_м) использовать полученные автором типовые зависимости, легко корректируемые в соответствии с результатами индивидуальной калибровки каждого ПК:

?Т_м = ?Т_м(0) + ??Т_м(А), (1)

где ?Т_м(0) - зависимость ?Т_м от ?Т при Т_а = 0 °С и ?Т(МА) = 0;

??Т_м(А) - составляющая ?Т_м, обусловленная влиянием Т_а.

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



Предложено выражение для расчета ??Т_м(А):

, (2)

где ??Т_{м опорн.}(А) - зависимость ??Т_м(А) при ?Т = ?Т_опорн.; К_н - нормализующий коэффициент, зависящий от ?Т.

Графики типовой зависимости К_н от ?Т приведены на рис. 4.

Определены выражения для расчета ?Т_м(0), ??Т_{м опорн.}(А) и К_н. Данные выражения уточняются по результатам индивидуальной калибровки каждого образца ПК.

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 ??Т_м(МА), с учетом которой:

?Т_м = ?Т_м(0) + ??Т_м(А) + ??Т_м(МА), (3)

где ??Т_м(МА) - составляющая ?Т_м, обусловленная ?Т(МА).

Автором определена зависимость между ?Т(МА) и ??Т_м(МА).

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

Предложено выражение для расчета ??Т_м(МА):

, (4)

где ??Т_{м базов.}(МА) - зависимость ??Т_м(МА) от ?Т(МА) при фиксированных значениях Т_{а базов.} и ?Т_базов., К₁ - коэффициент, зависящий от ?Т, К₂ - коэффициент, зависящий от Т_а.

Типовые графики К₁ и К₂ приведены, соответственно, на рис. 6 и рис. 7. Определены выражения для вычисления ??Т_{м базов.}(МА), К₁ и К₂. Данные выражения уточняются для каждого образца ПК по результатам его индивидуальной калибровки.

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

Процессор температурный (ПТ) выполнен на базе персонального компьютера. В ПТ предварительно вводятся зависимости (2) - (4) и полученные при калибровке зависимости ?Т_м(0) , ??Т_{м опорн.}(А), К_н, К₁, К₂, ??Т_{м базов.}(МА). Используя периодически поступающие с измерителя ?Т, измерителя Т_а, измерителя ?Т(МА) данные, процессор температурный по определенному алгоритму устанавливает (воздействуя через выходной каскад на исполнительный элемент фонового излучателя) такое значение ?Т, при котором разность между вычисленным ПТ и введенным оператором заданным значением ?Т_м не превышает допустимого уровня, что обеспечивает автоматическое поддержание с требуемой точностью заданной величины ?Т_м во всем рабочем диапазоне Т_а 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 ?Т_м.

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 (ДТ_м) и окружающей среды (ДТ_а). 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 ?Т 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 ?Т, увеличиваются колебания поддерживаемой ЭУУ величины ?Т относительно его среднего значения.

Для определения оптимальной частоты выдачи данных АЦП и анализа устойчивости ЭУУ построена в среде MatLAB имитационная модель его канала поддержания ?Т, приведенная на рис. 10.

Размещено на http://www.allbest.ru

21

Рис. 9. Блок-схема ЭУУ прибора "Орхон-М".

1 - 4 - ДТ_м; 5 -ДТ_а; 6, 7 - датчики температуры фонового излучателя (ДТ_и);8 - термоэлектронный микроохладитель (ТЭМО); 9 -ДТ_а; 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 ?Т от частоты опроса АЦП. Определена оптимальная частота опроса АЦП, равная для ПК "Орхон-М" 5 Гц. При данной частоте амплитуда колебаний ?Т и погрешность поддержания ?Т за счет напряжения смещения АЦП не превышают 1 мК.

Размещено на http://www.allbest.ru

21

Рис. 10. Схема модели канала регулирования ?Т.

К_м, К_и, К_д - коэффициенты передачи по температуре, соответственно, миры, излучателя и датчиков температур; Т_и, Т_м, ф_и, ф_м - постоянные времени и время чистого запаздывания фонового излучателя и миры; К₁ - коэффициент усиления усилителя АЦП; К₂ - коэффициент усиления, обусловленный разницей разрядности АЦП и ЦАП; з_охл., з_нагр. - коэффициент полезного действия ТЭМО при работе, соответственно, в режиме охлаждения и нагрева; U, 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 ?Т_{м зад.} 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 ??Т_а и ??Т(МА)) значения ?Т_треб. (соответствующего ?Т_{м зад.}) и вывод системы на вычисленное значение ?Т_треб.;

- определение после выхода в стационарный режим серии замеров Т_а, ?Т(МА), ?Т и обработка результатов измерений;

- вычисление фактического значения ?Т_{м ф.};

- определение ошибки выхода на заданное значение ?Т_{м зад.} и, при необходимости, коррекция по определенному алгоритму значения ?Т_треб.;

- повторение до совпадения текущего ?Т_м и заданного ?Т_{м зад.} значений с заданной точностью операций коррекции ?Т_треб. (рис. 11);

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

Предложенный алгоритм работы:

- не требует установления точной зависимости ?Т от ?Т_м, Т_а и ?Т(МА), то есть для измерения и поддержания ?Т_м используется одна и та же зависимость, полученная при калибровке ПК;

- не требует точного выхода на вычисленное значение ?Т_треб., что сводит требования к каналу поддержания ?Т лишь к кратковременной стабильности поддержания ?Т с минимальными колебаниями ?Т (не требуется большой коэффициент усиления по контуру канала поддержания ?Т).

Размещено на http://www.allbest.ru

21

Режим изменения ?Т_м по заданному оператором закону (динамический режим) (график изменения ?Т_м приведен на рис. 12) используется при снятии ТЧХ ИКС, когда необходимо определить значение ?Т_м, 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 ?Т_{м ф.} заданному (в соответствии с выбранным оператором законом) значению ?Т_{м зад.}. Важно определение точного фактического значения ?Т_{м 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 ?Т_{м оп.} (в соответствии с алгоритмом работы в статическом режиме);

- расчет (упрощенный, без учета ??Т_а и ??Т(МА)) по заданному закону изменения ?Т_м соответствующего ему требуемого закона изменения ?Т;

- изменение ?Т по требуемому закону;

- фиксация текущих значений ?Т, ?Т(МА), Т_а, 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 ?Т) 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 ?Т_м 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 ?Т_м. 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 |?T| ? 2 К при значениях Т_а от минус 50 °С до + 50 °С, доверительной вероятности 0,95 и погрешности калибровки ПК 7,5 мК, границы погрешности поддержания ?Т_м составляют ± 12 мК;

- для |?T| ? 10 К при значениях Т_а от минус 50 °С до + 50 °С, доверительной вероятности 0,95 и погрешности калибровки ПК 30 мК, границы погрешности поддержания ?Т_м составляют ± 47 мК.

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

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

В качестве приборов контроля, в ЭУУ которых использован расчетный способ, рассмотрены измерительные системы "Орхон-М", НСИ-К, НСИ-КМ, НСИ-КМУ, Измеритель-3Ц, 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-3Ц 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 ?Т_м, воспроизводят значения ?Т_м до ± 20 К.

Рассмотрены особенности модернизированного прибора ВЭ-1227М. Он имеет жидкостной фоновый излучатель большого размера (400х500 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 ?Т_м (как правило, одно или два), причем закон изменения ?Т при изменении Т_а и ?Т(МА), обеспечивающий поддержание требуемого значения ?Т_м, 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.

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 (?Т_м), установлено, что для обеспечения требуемой для контроля современных инфракрасных систем точности поддержания ?Т_м 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 ?Т_м и влияющими на нее факторами могут быть получены лишь в результате индивидуальной калибровки каждого прибора контроля. Получена система типовых зависимостей, позволяющая определить величину ?Т_м 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 ?Т_м 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 ?Т_м 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 ?Т_м.

4. Разработаны алгоритмы работы электронного устройства управления в режиме поддержания постоянного значения ?Т_м (статическом) и в режиме автоматического изменения ?Т_м по заданному оператором закону (динамическом), позволяющие достигать требуемой точности выхода на заданное значение ?Т_м 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 ?Т_м.

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 ?Т_м - в 8 раз;

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

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

- возможность работы в динамическом режиме;

- возможность получения отрицательных значений ?Т_м;

- 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 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 ВАК).

3. Зарипов Р.И. Высокоточное электронное устройство управления инфракрасными измерительными комплексами / Р.И. Зарипов, Курт В.И., Бугаенко А.Г. // 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. Ч.1. - С. 44,45.

5. Зарипов Р.И. Модернизированная контрольно-проверочная аппаратура для тепловизионного прицела / Р.И. Зарипов // ХIX 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 // ХХ 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. Ч.2. - С. 251-253.

Авторские свидетельства и патенты

1. Авторское свидетельство на изобретение № 1462122. Цифровой термометр / Р.И. Зарипов, А.С. 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 коллиматорный 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 / 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.

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 / 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.

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.

Размещено на Allbest.ru