Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ТАТМЫШЕВСКИЙ Константин Вадимович
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ ИМПУЛЬСНОГО ДАВЛЕНИЯ
Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва 2010
Работа выполнена на кафедре Приборостроение и информационноизмерительные технологии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Владимирский государственный университет
Научный консультант: Доктор технических наук, профессор ЛЕГАЕВ Владимир Павлович
Официальные оппоненты: АЛЁХИН Владимир Александрович - доктор технических наук, профессор МАНЯХИН Фёдор Иванович - доктор физико-математических наук, профессор НАЗАРОВ Александр Викторович - доктор технических наук, профессор
Ведущая организация: ГОУ ВПО БГТУ ВОЕНМЕХ им.
Д.Ф. Устинова
Защита диссертации состоится 12 мая 2010 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д212.131.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) (МИРЭА) по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского, д. 87, ауд. Г412.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МИРЭА.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим отправлять по адресу: 119454, г.Москва, проспект Вернадского, д. 87, диссертационный совет Д212.131.03.
Автореферат разослан л___ ___________ 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.131.доктор технических наук, профессор О.А. ТЯГУНОВ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Развитие и совершенствование робототехнических и мехатронных систем и комплексов обычного и специального назначения приобретает в настоящее время большое значение. Это вызвано тем, что постоянно расширяется диапазон потенциальных применений современной робототехники и мехатроники для решения сложных прикладных задач в экстремальных условиях. В последние годы появилась необходимость развития новых подходов к построению систем управления робототехнических и мехатронных изделий, способных обеспечить надежное выполнение требуемых функций в неполнозаданной или априорно неизвестной среде при наличии помех, воздействии случайных возмущений, нечеткости поступающей информации и т.д.
Одним из направлений совершенствования систем управления робототехнических и мехатронных систем является создание новых датчиков внешних физических воздействий, обеспечивающих очувствление роботизированной техники.
При этом особое внимание уделяется разработке датчиков давления, как основных элементов, позволяющих повысить и расширить объем поступающей в систему управления информации о механических внешних воздействиях, как на исполнительные органы, так и на всё изделие в целом. Восприятие полей давления воспроизводит чувство осязания, не менее важное для управления роботом, чем зрение, воспроизводимое различными локационными и телевизионными датчиками. Способность к восприятию импульсных полей давления еще более важна, так как их воздействие может приводить к катастрофическим для робота ситуациям. К таким ситуациям можно отнести удар мобильного робота при наезде на препятствие, разрушение корпуса робота при падении тяжёлых предметов, метеоритные потоки, воздействующие на космические роботы, воздействие пуль, осколков, взрывной волны на роботы военного и антитеррористического назначения и т.п.
Особенности условий функционирования датчиков систем управления робототехнических и мехатронных устройств в экстремальных условиях одновременно выдвигают противоречивые требования. С одной стороны, требования повышения чувствительности к входным механическим воздействиям, обеспечения многоканальности, быстродействия и высокой пространственной разрешающей способности. С другой стороны, требование повышения помехоустойчивости в условиях воздействия интенсивных естественных и искусственных электромагнитных помех. Первое требование является следствием расширения диапазона входных воздействий при одновременной необходимости тактильного очувствления значительных по площади элементов устройства, взаимодействующих с внешней средой. Второе требование обусловлено усложнением электромагнитной обстановки в зоне функционирования системы, а также тем, что выполнение первого требования в большинстве случаев достигается применением электронных схем усиления сигнала датчиков.
Радикальным путем решения данной проблемы в информационных цепях систем управления робототехнических и мехатронных изделий является переход от электрических к оптоэлектронным компонентам и устройствам, предназначенным для передачи, приема и обработки сигналов. В этом случае протяженные кабельные электрические линии связи могут быть заменены волоконнооптическими, практически не подверженными воздействию электромагнитных помех.
Однако такое кардинальное решение проблемы повышения помехоустойчивости информационных цепей устройств, предназначенных для регистрации и измерения давления, потребовало изыскания возможностей построения датчиков, преобразующих различные входные механические воздействия в выходной оптический сигнал, пригодный для дальнейшей обработки. Наиболее целесообразным и перспективным решением этой задачи является применение датчиков давления с механолюминесцентными чувствительными элементами сосредоточенного и распределённого типа. Такие датчики работают по принципу прямого преобразования входного механического воздействия (давление, сила, ускорение) в выходной оптический сигнал видимого или инфракрасного спектра. К достоинствам таких датчиков также следует отнести простоту технической реализации чувствительных элементов с распределёнными характеристиками, позволяющую решить проблему обеспечения тактильной чувствительности элементов конструкций, имеющих значительную площадь поверхности.
Из анализа посвященных данной проблеме работ можно сделать вывод о том, что до настоящего времени авторы, в основном, стремились исследовать спектральные характеристики механолюминесцирующих соединений, а также расширить круг веществ, обладающих способностью к люминесценции под действием механических нагрузок. При этом наблюдается единство мнений по вопросу люминофора на основе сульфида цинка, легированного марганцем, обладающего самым ярким свечением при механическом нагружении. Такой односторонний подход к решению проблемы создания механолюминесцентных датчиков давления привел к ситуации, когда отмечается отсутствие научных основ расчёта и проектирования механолюминесцентных чувствительных элементов датчиков импульсного давления. Стремясь обнаружить механолюминесцентное излучение у различных типов соединений, авторы не уделили должного внимания изучению механизма механолюминесценции, разработке математической модели (функции преобразования), методики расчёта и проектирования механолюминесцентных чувствительных элементов, нахождению закономерностей формирования выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов.
В связи с перспективностью использования механолюминесцентных чувствительных элементов в датчиках импульсного (динамического) давления для систем управления мобильных и стационарных мехатронных и робототехнических устройств, представляется весьма важным проведение исследований закономерностей механолюминесцентного излучения цинксульфидных соединений на новом уровне. Результатом таких исследований должны быть математическая мо дель (функция преобразования) механолюминесцентного чувствительного элемента, а также методика расчёта выходных оптических сигналов в зависимости от параметров входных импульсов давления.
Большой вклад в разработку физических основ деформационной механолюминесценции соединений класса А2В6 внесли Осипьян Ю.А., Шмурак С.З., Бредихин С.И., Сенчуков Ф.Д., Велиев З.А., Шикин В.Б. На возможность использования явления механолюминесценции для построения сенсорных устройств и необходимость детального исследования свойств механолюминесцентных чувствительных элементов указывали отечественные и зарубежные авторы Мяздриков О.А., Сулин Г.А., Zink J., Chandra B.P., Sodomka L., Sage I., и др.
Таким образом, актуальной и вполне обоснованной проблемой расчёта, проектирования и производства качественно новых датчиков импульсного давления, от решения которой зависит улучшение информативности и помехоустойчивости систем управления интеллектуальных робототехнических и мехатронных устройств, является изучение закономерностей механолюминесцентного преобразования и создание на этой основе методики расчёта и проектирования светогенерационных механолюминесцентных чувствительных элементов.
Целью работы является исследование основных закономерностей механолюминесцентного преобразования в цинксульфидных кристаллофосфорах и создание на этой основе новых высокоэффективных датчиков импульсного давления для систем управления мехатронных и робототехнических устройств, обеспечивающих высокие информативность, точность и быстродействие при высокой помехоустойчивости к электромагнитным помехам.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести теоретическое исследование физических основ явления механолюминесценции цинксульфидных кристаллофосфоров (в основном, ZnS:Mn, как самого чувствительного) с целью выявления механизма явления.
2. Разработать математическую модель (функцию преобразования) механолюминесцентного чувствительного элемента на основе явления механолюминесценции цинксульфидных кристаллофосфоров.
3. Разработать методику расчёта выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов.
4. Исследовать закономерности процессов формирования выходных оптических сигналов в механолюминесцентном чувствительном элементе при воздействии на него импульсов давления с различными параметрами.
5. Разработать экспериментальные образцы механолюминесцентных датчиков с сосредоточенным и распределённым чувствительным элементом, а также фотоприёмное устройство для регистрации выходных оптических сигналов.
6. Провести экспериментальные лабораторные исследования макетных образцов механолюминесцентных датчиков импульсного давления с целью определения основных параметров и характеристик, а также подтверждения теоретических положений и выводов.
7. Разработать испытательную установку, позволяющую в лабораторных условиях воспроизводить процессы воздействия импульсов давления на механолюминесцентные чувствительные элементы, характерные реальным условиям и предназначенную для отработки датчиков импульсного давления изделий экстремальной робототехники и мехатроники.
8. Выявить возможности улучшения параметров и характеристик механолюминесцентных чувствительных элементов, оценить их точностные параметры и эффективность.
9. Разработать принципы проектирования и конструкцию чувствительного элемента датчика импульсного давления на основе явления механолюминесценции.
10. Провести оценку информационно-измерительных возможностей датчиков с механолюминесцентными чувствительными элементами, а также особенности и области их применения.
Методика исследований. Достижение поставленной цели обеспечено путём проведения теоретических и экспериментальных исследований. Основные выводы, положения и рекомендации обоснованы теоретическими расчётами, сравнением с известными результатами и экспериментальными данными. Физические и математические модели имеют наглядную физическую интерпретацию. В работе использованы фундаментальные положения физики твердого тела, физики дислокаций в полупроводниковых кристаллах, теории люминесценции, микроскопической теории упругопластического деформирования твердых тел с упрочнением, математической статистики, теории эксперимента.
Научная новизна работы заключается:
в проведении теоретического исследования процессов туннелирования электронов примесных центров свечения цинксульфидных кристаллофосфоров в электрическом поле движущихся дислокаций в объеме кристаллических структур с целью создания светогенерационных чувствительных элементов и структур;
в создании теоретических предпосылок для проектирования светогенерационных механолюминесцентных сосредоточенных и распределённых чувствительных элементов датчиков импульсного давления для систем управления роботизированной техники, работающей в экстремальных условиях;
в разработанной математической модели механолюминесцентного внутрицентрового излучения цинксульфидных порошковых люминофоров;
в предложенной методике расчёта выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов (ЧЭ);
в найденных закономерностях формирования выходного оптического сигнала механолюминесцентных ЧЭ в зависимости от параметров входных импульсов давления;
в предложенной классификации механолюминесцентных датчиков по виду чувствительного элемента, виду оптического канала связи и типу входного механического воздействия и другим признакам;
в разработке способа обработки выходного оптического сигнала ЧЭ, позволяющего определять форму входного импульса давления в пределах динамического диапазона чувствительности.
Практическая ценность работы определяется внедрением и использованием основных положений, выводов и рекомендаций, полученных при исследовании и разработке датчиков импульсного давления с механолюминесцентными чувствительными элементами. Практическую ценность работы представляют:
результаты расчетов выходных оптических сигналов в зависимости от различных параметров входных импульсов давления;
результаты экспериментального исследования, содержащие количественные оценки влияния входного давления на параметры выходных оптических сигналов при различных условиях работы;
созданные опытные образцы механолюминесцентных чувствительных элементов сосредоточенного и распределённого типа, защищенные 8 авторскими свидетельствами на изобретения и одним патентом;
разработанные методика расчета и основы проектирования механолюминесцентных чувствительных элементов;
предложенный способ обработки выходного сигнала механолюминесцентного ЧЭ, позволяющий определять форму и величину входного импульса давления.
Часть исследований выполнялась в рамках хоздоговорных НИР, финансируемых промышленными предприятиями РФ в 1990-2002 гг., а также госбюджетных НИР по межотраслевой научно-технической программе Научноинновационное сотрудничество (раздел Создание перспективных летательных аппаратов, импульсных установок, роботизированных комплексов, перспективных конструкционных, специальных и топливных материалов и технологий их получения) Министерства образования и Министерства обороны РФ (2000-20гг.) и научно-технической программы Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники (подпрограмма Электроника, раздел Микро- и наносистемная техника) Министерства образования РФ (20г.), гранта № А-04-3.20-567 Механолюминесцентные сенсорные элементы для визуализации полей давления поддержки НИР аспирантов вузов Федерального агентства по образованию (2004 г.) и поисковой НИР Сосредоточенные и распределенные (тактильные) датчики на основе явления механолюминесценции для приборов регистрации и измерения импульсных давлений (Госконтракт №П2475) по направлению Приборостроение, основанное на новых физических принципах (конкурс НК-430П) в рамках мероприятия 1.2.2 федеральной целевой программы Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы обусловливаются:
применением хорошо апробированного математического аппарата;
достаточно высокой сходимостью результатов расчётов по разработанной математической модели с экспериментальными данными, полученными в работе;
согласованностью полученных результатов с опубликованными материалами других исследований.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель механолюминесцентного чувствительного элемента датчика импульсного давления на основе мелкодисперсных порошков сульфида цинка, активированного марганцем. В основу модели положено явление туннелирование электронов в электрическом поле движущихся дислокаций.
2. Методика расчета выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов в зависимости от параметров входных импульсов давления.
3. Выявленные закономерности изменения параметров выходного оптического сигнала от параметров входных импульсов давления и количества циклов нагружения.
4. Результаты экспериментального определения энергетических, временных и пространственных характеристик выходных оптических сигналов.
5. Технические решения, защищенные 8 авторскими свидетельствами и патентом РФ, направленные на повышение информативности, надежности и помехоустойчивости систем управления автономных изделий экстремальной мехатроники и робототехники воздушного базирования.
6. Научные основы расчёта и проектирования механолюминесцентных чувствительных элементов датчиков импульсного давления.
Реализация результатов работы осуществлена:
ГУП НИИ Поиск (г. Санкт-Петербург) в опытные образцы информационно-измерительных систем с использованием светогенерационных механолюминесцентных датчиков и волоконно-оптических линий связи для автономных информационных и управляющих систем подвижных объектов специального назначения;
ФГУП ВПО Точмаш (г. Владимир) при разработке опытной партии датчиков ударного давления с волоконно-оптическим каналом связи и устройств регистрации полей давления на основе распределенных механолюминесцентных чувствительных элементов для робототехнических систем мобильных объектов;
ОАО НИКТИД (г. Владимир) при разработке датчиков определения детонации для двигателей внутреннего сгорания отечественных автомобилей;
ФГУП ФНП - Прибор (г. Москва) в образцы распределённых датчиков ударных воздействий малогабаритных летательных аппаратов.
Основные положения и теоретические результаты диссертации использованы в учебном процессе на кафедре Приборостроение и информационноизмерительные технологии Владимирского государственного университета при проведении лекций, лабораторных занятий, курсовом и дипломном проектировании. Результаты диссертационной работы использовались также в учебной и научной работе в БГТУ ВОЕНМЕХ им. Д.Ф.Устинова (г. С.-Петербург).
Акты о внедрении приведены в приложении.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции Научнотехнический прогресс в машиностроении и приборостроении. К 150Цлетию МВТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 1980 г.); на научно-техническом семинаре Разработка и применение перспективных приборов для измерения угловых скоростей и ускорений (Москва, 1991 г.); на научно-технической конференции Проблемы конверсии, разработки и испытания приборных устройств (Москва, 1993 г.); на Международной научно-технической конференции Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик - 93) (Гурзуф, 1993, 2003 гг.); на Международной научно-технической конференции Конверсия, приборостроение, рынок (Владимир, 1995 г.); на Всероссийской научно-технической конференции Проектирование систем ВАА им. Калинина (С.-Петербург, 1995 г.); научно-технической конференции Современные информационные технологии в образовательном процессе и научных исследованиях (Шуя, 2000 г.); на 3-ей Всероссийской научно-технической конференции Актуальные проблемы безопасности (С.-Петербург, 2000 г.); 4-ой Всероссийской научно-технической конференции Актуальные проблемы развития автономных информационных и управляющих систем на основе высокоэнергетических конденсированных материалов в XXI веке (С.-Петербург, 2001 г.); 4-ой Международной научно-технической конференции Электроника и информатика (Москва, 2002 г.); на 3-ей Международной научно-практической конференции Математическое моделирование в образовании, науке и производстве (Тирасполь, 2003 г.); на Общероссийских научно-технических конференциях Первые Рдултовские чтения и Вторые Рдултовские чтения (С.-Петербург, 2003 и 2008 гг.);
Первой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием Мехатроника, автоматизация, управление (Владимир, 2004 г.); на VI и VII Международных конференциях Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии м микросистемы (Ульяновск, 2004 и 2005 гг.); на Международном оптическом конгрессе ОПТИКА ЦXXI век (Международная научно-технической конференция Прикладная оптика (С.-Петербург, 2004 г.); Всероссийской НТК Исследование, проектирование, испытание и эксплуатация приборных устройств военной техники (Владимир, 2008 г.).
Публикации. По тематике исследований опубликовано 50 научных работ, в том числе 1 учебное пособие, 10 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, авторские свидетельства на изобретения и 1 патент РФ.
ичное участие и вклад автора.
В диссертации приведены материалы, обобщающие теоретические исследования автора и опыт практического внедрения механолюминесцентных чувствительных элементов датчиков импульсного давления для систем управления изделий экстремальной мехатроники и робототехники. Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертации были получены автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре приборо строения и информационно-измерительных технологий ВГУ в период с 1979 по 2009 гг.
Все основные виды работ выполнялись лично автором или осуществлялись под его руководством. Автором поставлены научные задачи, выбраны пути их решения и предложены методы и схемы теоретических и экспериментальных исследований. Все вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены либо самим автором, либо при его определяющей роли.
Работа потребовала участия помощников при проведении моделирования и экспериментальных исследований, а также при создании и внедрении опытных образцов, что нашло отражение в совместных публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Общий объем работы составляет 338 страниц и включает 290 страниц основного текста (в том числе 104 рисунка и 6 таблиц), список литературы из 357 наименований на 29 страницах и 19 страниц приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении кратко изложена суть решаемой в диссертационной работе проблемы, показана её актуальность. Охарактеризованы новизна и практическая ценность работы, представлены данные о реализации результатов исследования.
В первой главе проведен анализ особенностей применения систем управления мехатронных и робототехнических систем. Определена ведущая роль системы датчиков как первых элементов воспринимающих информацию из внешней среды и передающая её системе управления для принятия адекватных решений.
С учетом особенностей применения экстремальной мехатроники и робототехники сформулированы основные требования к датчикам импульсного давления. Проведено рассмотрение принципов построения современных датчиков давления. Проведен краткий обзор датчиков давления с сосредоточенными и распределёнными параметрами (тактильных).
Проанализирована электромагнитная обстановка в зоне применения различных робототехнических устройств. Проанализированы воздействие электромагнитных помех на информационные цепи датчиков и методы повышения их помехоустойчивости. Выявлено, что для кардинального решения проблемы помехоустойчивости информационно-измерительных систем в целом и датчиков в частности необходимо использовать оптоэлектронные датчики совместно с волоконно-оптическими каналами связи.
Рассмотрены особенности и структура информационной цепи с применением оптоэлектронных компонентов.
Рассмотрены области применения и примеры конструкций датчиков импульсного давления с механолюминесцентными чувствительными элементами (МЛЧЭ). Проанализированы достоинства и недостатки датчиков на основе МЛЧЭ. Оценена возможность решения проблемы тактильной чувствительности датчиков. Показано, что информационная цепь датчика с МЛЧЭ должна иметь структуру обычной оптопары, излучателем которой будет являться МЛЧЭ, как показано на рис. 1.
Оптический канал связи Фотоприемное устройство Излучатель Волоконнооптический (t) Механо- Ф(t) Микропроцессорный жгут(кабель)/ ФотоУсилитель блок обработки люминесцентный открытый приемник информации с АЦП датчик оптический канал Узлы, не чувствительные Узлы, которые легко экранировать к электромагнитным помехам Рис. 1.
Обобщенная структурная схема информационной цепи регистрирующего устройства с механолюминесцентным датчиком импульсного давления Проведен обзор основных публикаций по исследованию механолюминесценции твердых тел, на основании которого сделаны выводы о перспективности применения механолюминесцентных чувствительных элементов для построения датчиков давления, работающих по принципу прямого преобразования механической энергии в энергию оптического излучения. Выделены публикации, посвященные изучению отдельных характеристик явления, прикладному применению механолюминесценции, а также математической модели преобразования. Результаты анализа имеющихся публикаций показали отсутствие в известных публикациях научных основ расчёта и проектирования механолюминесцентных чувствительных элементов.
На основе анализа материалов первой главы сформулирована цель работы и определены основные задачи исследования.
Во второй главе выполнено теоретическое исследование процессов, сопровождающих механолюминесценцию цинксульфидных кристаллов.
Рассмотрены электрические свойства дислокаций в соединениях сульфида цинка, а также уравнение кинетики высвечивания внутрицентровой механолюминесценции.
Рассмотрено строение и зонная структура кристаллов цинксульфидных соединений. Проведена оценка степени влияния внешнего давления на структуру атомной решетки материала. Исследована кинетика затухания при внутрицентровой и рекомбинационной люминесценции. Проведено исследование взаимодействие центров свечения (ЦС) с заряженными дислокациями и описан механизм внутрицентровой механолюминесценции. Сформулировано уравнение скорости возбуждения центров свечения и уравнение кинетики внутрицентровой механолюминесценции в целом.
Показано, что дислокации определяют не только механические характеристики твердых тел, но и существенно влияют на электронные свойства кристал лов. Изучение электрических, магнитных и оптических свойств кристаллов с дислокациями представляет собой самостоятельную область физики твердого тела.
Наиболее существенное влияние дислокаций на энергетический спектр и физические свойства проявляется в полупроводниковых кристаллах. Еще в начале 70-х гг. в ИФТТ РАН были начаты и в настоящее время развиты исследования структуры и свойств дислокаций, а также изучено влияние дислокаций на люминесценцию полупроводниковых кристаллов сульфида ZnS и селенида цинка ZnSе, которые широко используются в оптоэлектронике, так как являются хорошими электролюминофорами.
В процессе пластической деформации происходит взаимодействие центров свечения с электрическим полем движущихся заряженных дислокаций, которое приводит к возбуждению (ионизации) центров свечения с их последующими излучательными переходами. На основании этого предложена следующая схема возникновения механолюминесценции в ZnS-фосфорах Dm ЦС ЦС e ; (I этап) (1) e ЦС ЦС ЦС , (II этап) где Dm - движущаяся заряженная дислокация; ЦС*, ЦС+ - ионизированное и возбужденное состояния центра свечения соответственно; e - электрон; - энергия кванта излучения. Схема (1) описывает механолюминесценцию при ионизации центра свечения, то есть рекомбинационное излучение. В случае внутрицентровой механолюминесценции схема упрощается Dm ЦС ЦС ЦС .
Возбуждение (ионизация) центров свечения в сильных электрических полях движущихся дислокаций происходит путем туннелирования электронов, локализованных на примесных центрах и уровнях захвата, либо на неравновесные возбужденные уровни центров свечения, либо непосредственно в зону проводимости. Возвращение электронов в равновесное состояние приводит к внутрицентровой или рекомбинационной механолюминесценции.
Рассмотрена дислокационная модель упруго-пластического деформирования ЧЭ механолюминесцентного датчика. Проанализированы определяющие соотношения упругопластического деформирования и основные соотношения теории дислокаций. На основания анализа дислокационной теории упругопластического деформирования с упрочнением получено уравнение квазистатического деформирования чувствительного элемента механолюминесцентного датчика давления.
В третьей главе проведено описание математической модели механолюминесцентного чувствительного элемента.
Математическая модель МЛЧЭ представляет собой систему интегродифференциальных уравнений, основой которой является уравнение светового потока люминесценции Ф(t) как функции времени:
t t (t) 2NЦС exp( ) rвз(t)NmD(t)UD(t)dt ; (2) p NmD(t)UD(t) ; (3) b V c замыкающими зависимостями: NЦС СЦС V ; (4) rЦСPТ(rЦС) rвз ; (5) 2UD q rЦС ; (6) 20ЕD 1/ 2 3 4 2PGd EAБm* (EAБ )2 т (7) ED exp 1/ 2 4Gd e 31 EAБ 2T, при kБT m, , при 8mclEАБ kБT m, Gd ; (8) m 22 T 1 23 m 32 m* зп (9) EAБ 2 Mяч m 0, если 1 S ;
Df UD kSCtr exp( ), где kS exp 0,5 S 1 (10) , если 1 S ;
1 1 S 0 p NtD M1 0 p NmD(t) (NtD M1 )exp ; (11) Nt кр p 1 (t) E 1, (12) где NЦС - общее количество ЦС в люминесцентном материале ЧЭ; - энергия кванта света; - время жизни возбужденного состояния; t - длительность возбуждения ЦС импульсом давления (t); rвз - радиус взаимодействия дислокации с ЦС; mD - средняя плотность подвижных дислокаций; D - скорость движения дислокаций, усредненная по дислокационному массиву; b - модуль вектора Бюргерса, характеризующий область искажения кристаллической решетки дислокаp V цией определенного типа; 1 - скорость роста пластических деформаций; CЦС - объемная концентрация ЦС; V - суммарный объём зёрен кристалла; rЦС - текущее расстояние от ядра дислокации до ЦС; Рт - вероятность туннелирования электрона в однородном электрическом поле; q - линейная плотность заряда дислокации; 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; - относительная диэлектрическая проницаемость; ED - напряженность радиального электрического поля движущейся дислокации; е - заряд электрона; - постоянная Планка; - параметр, характеризующий энергию поляризации кристаллической решетки; ЕАБ - энергия потенциального барьера, отсчитываемая либо от дна зоны проводимости, либо от неравновесного возбужденного уровня электрона до его основного невозбужденного уровня; Gd - параметр, характеризующий дисперсию энергии электрона; T - абсолютная температура; m - дебаевская энергия фонона; сl - скорость распространения продольных волн в кристалле; Мяч - масса элементарной ячейки кристалла;
ЗП - константа деформационного потенциала зоны проводимости; kБ - постоянная Больцмана; m* - эффективная масса электрона; kS - поправочный коэффициент; Сtr - скорость распространения сдвиговых волн в кристалле; Df - эффективное напряжение внутреннего трения (сопротивление движению дислокации внутри кристалла); 1 - главное значение тензора напряжения; S - статический предел текучести; E - модуль упругости; М - коэффициент размножения дислокаций; tD - общая плотность дислокаций; t кр - критическая плотность дислокаций; t - текущее время.
Здесь интенсивность МЛ определяется числом квантов света в единицу времени и описывается формулой (2). Объём кристалла, в котором выполняется условие возбуждения ЦС, определяется подынтегральным выражением в формуле (2). Объём кристалла, который полностью обметается движущимися дислокациями, определяется выражением (3).
Общее количество ЦС, находящихся в люминофоре чувствительного элемента определяет суммарный световой поток и находится по формуле (4). Формула (5) определяет радиус взаимодействия ЦС и дислокации с учетом того, что при увеличении скорости движения изменяется конфигурация цилиндра пространственного дислокационного заряда. Выражение (6) определяет текущее расстояние от ядра дислокации до ЦС. Напряжённость электрического поля, при которой происходит гарантированное туннелирование (PТ=1) определяется по формуле (7). С увеличением скорости цилиндр теряет симметрию и принимает форму вытянутого эллипса.
Выражения (8) и (9) определяют соответственно параметры, характеризующие дисперсию энергии электрона и энергию поляризации кристаллической решетки.
Формула (10) позволяет рассчитать среднюю скорость движения дислокационного ансамбля в зависимости от приложенного давления. Здесь поправочный коэффициент kS корректирует значение скорости с учетом существования порогового значения напряжения текучести, ниже которого движение дислокаций практически не происходит.
Выражение (11) определяет плотность подвижных дислокаций, как долю от общей плотности дислокаций с учетом их размножения и запирания. Здесь задача расчёта кинетики пластического деформирования для случая квазистатического одноосного нагружения решается на основе микроскопической модели изотропной упругопластической среды с упрочнением, согласно которой пластическая деформация рассматривается как результат движения и размножения дислокаций.
Уравнение (12) определяет главное значение тензора напряжения для одноосного деформированного состояния. Здесь показано, что напряжение растёт за счет общей деформации и релаксирует за счет пластической.
Оптические параметры МЛЧЭ, определяющие перенос излучения в нём, в первую очередь зависят от его внутренней структуры. Наиболее существенным параметром ЧЭ является его толщина. Толщина слоя, объемная концентрация частиц порошка в нем и весовая концентрация легирующей примеси, создающей ЦС определяют общее число NЦС, принимающих участие в процессе излучения. Условно можно считать отдельные зерна люминофора шарами одинакового диаметра, равномерно расположенными по поверхности подложки и не перекрывающими друг друга. Назовем такой однорядный слой частиц монослоем. Для слоя из nсл таких слоев коэффициент объемной упаковки kV, равный отношению объемов всех частиц к объему слоя, ограничен величиной 0,86.
Общий поток излучения МЛЧЭ возрастает с увеличением количества частиц в монослое и с увеличением количества монослоев, однако возрастание потока достигает насыщения, поскольку при достаточно большом количестве монослоев свечение глубоко лежащих слоев полностью рассеивается вышележащими слоями. Прозрачность отдельного монослоя можно принять равной (1-kV). Таким образом, предполагается, что отдельная частица пропускает только свое излучение и является непрозрачной для излучения нижележащих частиц, а излучение проходит только в промежутках между частицами. Обозначая поток излучения самого ближнего к подложке монослоя Ф1(t), определяем суммарный поток от ЧЭ толщиной hЧЭ n CЛ СЛ Ф Ф1 (1 kV )Ф1 (1 kV )2 Ф1 ... (1 kV )n 1Ф1 Ф11 kV )i Ф1kn; (13) (1 i где nсл=hЧЭ/dср; dср - средний диаметр частиц порошка; i - число слоев кроме первого; kn - коэффициент неравномерности свечения. Эта формула позволяет привести суммарный поток излучения Ф(t) к потоку первого монослоя Ф1(t), а неравномерность вклада остальных слоев в суммарный поток учесть при помощи коэффициента неравномерности свечения kn. Анализ формулы (13) показывает, что оптимальное число слоев nсл3Е6, так как дальнейшее их увеличение даст прирост светового потока не более 5%.
Рассмотрены структура и основные закономерности вывода излучения чувствительного элемента, показанного на рис. 2.
(t) Рис. 2.
dср Конструкция механолюминесцентного чувствительного элемента: 1 - элемент передачи давления; 2 - частицы люминофора; 3 - прозрачный связующий материал; 4 - прозрачная подложка (волоконный Ф1(t) жгут, кабель и т.п.) Ф1(1-kv)n-Ф(t) Проведено определение кинетических параметров модели, необходимых для проведения расчетов. Приведены основные особенности программы, разработанной в среде MATLAB и используемой для расчета выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов.
Сформулированы основные допущения, принятые при разработке математической модели. Описана методика расчета МЛЧЭ датчиков импульсного давления. Методика расчета выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов включает следующую последовательность процедур:
1. Для рассчитываемой конструкции датчика с известными физикомеханическими свойствами материалов деталей определяется диапазон входных механических воздействий в виде временных реализаций импульсов давления (t). Наиболее просто решение этой задачи осуществляется методом характеристик, путем построения x-t диаграмм. Исходные данные о размерах элементов датчика, материалах и их характеристиках берутся из чертежа датчика и соответствующих литературных источников.
2. Задаются геометрические параметры (толщина и площадь) чувствительного элемента и по известным гранулометрическим данным механолюминофора рассчитываются параметры вывода излучения и количество центров свечения в первом слое.
3. С помощью математической модели механолюминесцентного чувствительного элемента определяется диапазон изменения параметров выходных оптических сигналов (энергетической светимости R(t) или полного светового потока Ф(t)) для заданного диапазона входных механических воздействий (t).
4. Задается вид оптического канала связи между чувствительным элементом и фотоприемником, и определяются его параметры.
5. По результатам расчетов параметров выходных оптических сигналов Ф(t) выбирается тип фотоприемника и определяется чувствительность фотоприемника в полосе спектра излучения механолюминофора. Выбирается схема и электронные компоненты предварительного усилителя. Рассчитываются электрические сигналы U(t) на выходе фотоприёмного устройства.
6. На основании полученных результатов делается вывод о работоспособности, быстродействии и чувствительности информационной цепи датчика в целом.
чэ h В четвертой главе приведены результаты численного моделирования выходных оптических сигналов. Проанализированы и объяснены особенности изменения параметров выходных оптических сигналов в зависимости от параметров входных импульсов давления.
Входное воздействие в большинстве расчетов описывалось одиночным импульсом давления полусинусоидальной формы t (t) A sin .
t Такая форма импульса давления наиболее близка к импульсам давления, возникающим в реальных конструкциях. На рис. 3 приведены результаты расчёта выходного потока излучения (светимости), вызванного воздействием на чувствительный элемент импульса давления полусинусоидальной формы.
Характер изменения выходных оптических сигналов чувствительного элемента при изменении амплитуды, но при а) постоянной длительности импульсов давления показан на рис. 4.
Здесь видно, что с уменьб) шением амплитуды и соответственно крутизны импульса давления наблюдается увеличение временного запаздывания в пов) явлении излучения. Временное запаздывание определяется временем достижения входным имРис. 3.
пульсом значения давления, Пример расчета выходного оптического сигнала МЛЧЭ как равного пределу текучести мафункции времени: а - импульс давления; б - импульс энертериала чувствительного элегетической светимости МЛЧЭ; в - совместное изображение мента. Это подчеркивает поро- входного и выходного сигналов говый характер функции преобразования механолюминесцентных датчиков. В рамках разработанной модели считается, что в пределах упругих деформаций генерации излучения практически не происходит.
Кроме того, наблюдается временной сдвиг между максимумом давления в импульсе и максимумом излучения, причем величина сдвига имеет небольшой прирост с увеличением амплитуды импульса давления.
Расчетные зависимости амплитуды импульса излучения от амплитуды импульса давления для различных длительностей импульса давления приведены на рис. 5.
Такие зависимости фактически являются аналогом амплитудных характеристик электронных усилителей или преобразовательных характеристик измерительных преобразователей.
Здесь все кривые имеют высокую крутизну в диапазоне входных давлений А=45Е75 МПа. С увеличением давления наклон кривых уменьшается и на участке А=150Е350 МПа изменяется не Рис. 4.
слишком существенно. Видимо, на Расчетные зависимости энергетической светимости МЛЧЭ при воздействии импульсов давления одинако- этом участке прирост светимости вой длительности (t=60 мкс) и различной амплитуды: за счет увеличения давления неЦA =60 МПа; 2 -A =90 МПа; 3 -A =180 МПа; 4 -A сколько опережает прирост за счет =2700 МПа; 5 -A= =360 МПа увеличения длительности нагружения.
Сопоставление полученных результатов с данными чувствительности современных фотоприемников показывает, что даже с учетом потерь на входе и выходе оптического канала передачи возможно надежное детектирование оптического сигнала механолюминесцентных чувствительных элементов. Величина энергетической светимости имеет тот же порядок, что и светимость современных светоизлучающих диодов.
Рис. 5.
Характер изменения выходРасчетные зависимости амплитуды энергетической светимости МЛЧЭ от амплитуды импульса давления полу- ных оптических сигналов чувствисинусоидальной формы различной длительности: 1 - тельного элемента при изменении t=20 мкс; 2 - t=40 мкс; 3 - t=60 мкс; 4 - t=80 мкс; 5 - длительности импульса давления, t=100 мкс но при постоянной амплитуде показан на рис. 6.
Здесь видно, что при монотонном увеличении длительности сначала происходит рост амплитуды светимости, а затем, после достижения максимума, происходит уменьшение интенсивности импульса свечения. Этот процесс сопровождается существенным изменением формы импульса излучения. Если в диапазоне длительностей входных импульсов давления t20Е200 мкс импульсы свечения имели острый пик и достаточно крутой передний фронт, то в диапазоне длитель ностей импульсов давления t200Е2000 мкс импульсы свечения резко падают по величине, длительности переднего и заднего фронтов становятся практически одинаковыми.
Кроме того, наблюдается временной сдвиг между максимумом давления в импульсе и максимумом излучения, причем величина сдвига имеет значительный прирост с увеличением длительности импульса давления, а соответственно и продолжительности нагружения.
Это объясняется тем обстоятельством, что в ходе процесса генерации меРис. 6.
ханолюминесцентного из- Расчетные зависимости энергетической светимости МЛЧЭ при воздействии импульсов давления одинаковой амплитулучения одновременно ды(A =90 МПа) и различной длительности: 1 - t=60 мкс; протекают два конкури- t=120 мкс; 3 - t=250 мкс; 4 - t=500 мкс; 5 - t=1000 мкс; рующих процесса.
- t=2000 мкс Сущность первого процесса состоит в том, что в механолюминесцентных кристаллах с разной скоростью происходит накопление возбужденных центров свечения. Скорость их накопления зависит преимущественно от скорости приложения давления. Сущность второго процесса состоит в возврате возбужденных центров свечения в исходное состояние, которое сопровождается испусканием квантов света (люминесценцией). Второй процесс имеет постоянную скорость, которая описывается законом мономолекулярной реакции.
Соответственно, если скорость возбуждения будет много больше скорости возврата, то будет наблюдаться интенсивная механолюминесценция с крутым фронтом нарастания. В противоположном случае концентрации возбужденных центров свечения не будет достаточно, чтобы появилось заметное излучение. Такой процесс будет происходить даже, несмотря на то, что полная деформация люминофора чувствительного элемента может быть значительно больше, чем при больших скоростях нагружения. В этом проявляется неоднократно отмечаемая различными исследователями значительная чувствительность интенсивности механолюминесценции к скорости механического нагружения.
Расчетные зависимости амплитуды импульса излучения от длительности импульса давления при различных значениях амплитуды давления приведены на рис. 7. Такие зависимости фактически являются аналогом амплитудно-частотных характеристик измерительных преобразователей.
Из графиков видно, что в области длительностей импульса давления t20Е200 мкс с увеличением длительности наблюдается увеличение амплитудного значения светимости пропорционально lg(t).
В точке А при t180Е220 мкс графики имеют перегиб и при дальнейшем увеличении длительности импульса давления величина светимости уменьшается обратно пропорционально lg(t). Длительность импульса давления в точке А перегиба характеристик t1 t А обеспечивает фактическую длительность пластического Рис. 7.
деформирования люминофоРасчетные зависимости амплитуды энергетической светимости МЛЧЭ от длительности импульса давления полу- ра чувствительного элемента синусоидальной формы различной амплитуды: 1 - A =приблизительно равную поМПа; 2 - A =180 МПа; 3 - A =270 МПа; 4 - A =360 МПа стоянной времени люминесценции л. Продолжительность свечения чувствительного элемента на восходящей ветви практически во всех случаях в несколько раз больше длительности импульса давления t. На нисходящей ветви длительность свечения значительно уменьшается.
Снижение амплитуды и длительности импульса излучения с ростом t объясняет факт отсутствие излучения при статическом нагружении. Ход процесса возбуждения центров свечения в этом случае не изменяется, однако нарушение условия накопления возбужденных центров свечения приводит к сильному снижению интенсивности излучения за счет увеличения его продолжительности.
Это подчеркивает существенные динамические свойства механолюминесцентных чувствительных элементов и невозможность определения коэффициента преобразования чувствительного элемента, как измерительного преобразователя, в целом. Результаты численного моделирования выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов показали, что амплитуда и длительность световых импульсов существенно и неоднозначно зависят как от амплитуды, так и от длительности импульсов давления. Наличие точки перегиба на характеристиках указывает на то, что при регистрации выходного оптического сигнала его амплитуда неоднозначно определяет параметры входного импульса давления. Такую же амплитуду оптического сигнала может вызвать воздействие импульса давления другой длительности, отличающейся в 10Е100 раз (см. рис.
7, t1, t2).
Очевидным достоинством разработанной математической модели и методики расчета является определение выходного оптического сигнала в абсолютных единицах энергетической светимости, пригодных для расчёта схемы включения фотоприёмника.
Далее в главе проведена оценка влияния формы импульса давления на форму выходного оптического сигнала. Анализ формы выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов, проведенный на основании исследования влияния амплитудно-временных параметров импульсов давления (см. рис. 4 и 6) показал, что форма выходных оптических сигналов не соответствует полусинусоидальной форме входных импульсов давления. Этот факт затрудняет непосредственное применение механолюминесцентных датчиков в качестве измерительных преобразователей, так как они существенно искажают форму входного сигнала.
Сравнительный анализ формы выходных импульсов светимости показал, что различия выходных сигналов наблюдаются, в основном, в форме и длительности переднего фронта, а также амплитуде импульса. Выходной оптический сигнал по форме не совпадает с входным механическим сигналом. Этот результат вполне объясним тем обстоятельством, что постоянная времени люминесценции л исследуемого материала много больше длительности импульсов давления. В процессе формирования переднего фронта импульса излучения (разгорание механолюминесценции) величина мгновенного значения светимости фактически пропорциональна интегралу от действующего давления, а не его мгновенному значению. Задний фронт импульса излучения (затухание механолюминесценции) формируется здесь после окончания действия давления, подчиняется закону мономолекулярной реакции и имеет явно выраженный экспоненциальный характер.
Несколько иная картина наблюдается в случае импульсов давления имеющих длительность, превышающую постоянную времени люминесценции л. Здесь форма выходного сигнала в большей степени повторяет форму входного сигнала.
Форма переднего фронта выходного сигнала приближается к форме переднего фронта импульса давления, однако достаточно приемлемого совпадения не наблюдается. С увеличением длительности импульса давления совпадение форм проявляется в еще большей степени, но при этом значительно падает интенсивность излучения. Все эти факты указывают на необходимость дополнительной алгоритмической обработки выходного сигнала для того, чтобы механолюминесцентный чувствительный элемент можно было использовать в качестве измерительного преобразователя.
Оценка коэффициента полезного действия (КПД) преобразования была проведена для всех случаев, представленных на рис. 5-7. Энергия механолюминесцентного излучения определялась путем интегрирования импульса энергетической светимости R(t). Энергия деформирования определялась как сумма энергий, затраченных на упругое и пластическое деформирование чувствительного элемента. Во всех случаях величина КПД находилась в пределах 0,3Е0,5%.
Механолюминесцентное излучение возникает в чувствительном элементе в процессе пластической деформации. В соответствии с основами теории дислокационной микропластичности при каждом акте пластической деформации будет изменяться и дислокационная структура кристалла. Причем направление изменений дислокационной структуры будут зависеть от ее фактического состояния и от предыстории механических нагружений.
Если положение рабочей точки материала на диаграмме () находится далеко правее площадки текучести, то с действием каждого последующего импульса давления общая плотность дислокаций должна возрастать, а плотность подвижных дислокаций должна уменьшаться. Тогда уменьшение плотности подвижных дислокаций в соответствии с формулой (11) должно приводить к снижению интенсивности излучения с каждым новым циклом. Для оценки величины уменьшения амплитуды светимости при многократном действии импульса давления было проведено численное моделирование. В программе расчета конечная общая плот ность дислокаций после действия предыдущего импульса давления подставNtDi лялась как начальная плотность дислокаций для следующего цикла нагруNtDiжения.
Расчёты проводились для многократного действия импульсов давления полусинусоидальной формы с амплитудами А=90 МПа и А=180 МПа. Длительность воздействующего импульса давления составляла t =60 мкс. Результаты расчетов приведены на рис. 8. Результаты расчетов показали, что в первом случае спад интенсивности излучения после 100 000 циклов нагружения составил 0,12 %, а во втором - 0,23 % от своего начального значения.
Полученные величины спада излучения незначительны и позволяют сделать вывод о возможности применения механолюминесцентных чувствительных элементов в условиях воздействий многократных импульсных давлений.
Проведено исследование влияния точности определения отдельных параметров модели Рис.8. на параметры выходных оптиВлияние количества циклов нагружения на амплитуду ческих сигналов. В процессе энергетической светимости МЛЧЭ расчетов исходным значениям этих параметров задавались отклонения на 1%, 5%, 10% и 50% от своей исходной величины. Оценка влияния отклонений дислокационных параметров проводилась на примере входного импульса давления полусинусоидальной формы (А=90 МПа, t=60 мкс). При этом определялась амплитуда выходного импульса излучения, а также величина полученного отклонения. Результаты расчетов приведены на рис. 9.
Из диаграммы следует, что отклонения таких параметров модели как коэффициент размножения дислокаций М и эффективное напряжение внутреннего трения Df очень незначительно влияют на амплитуду оптического выходного сигнала. В гораздо большей степени влияют на результаты расчетов отклонения значений начальной плотности дислокаций NtD и критической плотности дисло каций Ntкр. Так, при изменении значений этих параметров всего на 10% амплитуда оптического сигнала изменяется почти на 400%.
Можно сказать, что, в основном, на погрешность M N t D изменения результата влияют N t к р D f колебания значений NtD0 и Ntкр, поэтому точность их определения для предложенной математической модели весьма критична.
В пятой главе сформулированы задачи экспериментального исследования. Здесь рассмотрены конструкции опытных образцов механолюминесцентных датчиков, а Рис. 9.
также стендовой аппаратуры Зависимость амплитуды оптического сигнала от изменедля их экспериментального ния значений некоторых параметров кинетики дислокаисследования.
ционного состояния, используемых в математической Конструкция опытного модели МЛЧЭ варианта МЛД приведена на рис. 10.
1 2 3 4 5 6 7 Для проведения экспериментальных исследований ) (t было изготовлено два стенда. Механический ударный стенд применялся для проверки адекватности матемаR (t) тической модели реальному МЛЧЭ.
Рис. 10.
Внешний вид механичеМЛД волнового действия: 1 - сердечник-концентратор; 2 - ского измерительного ком- упругая прокладка; 3 - накидная гайка; 4 - ЧЭ; 5 - корпус;
6 - штифт; 7 - ВОЖ; 8 - наконечник ВОЖ; 9 - корпус изплекса показан на рис. 11.
делия или специального крепежного элемента Стенд представляет собой вертикально расположенный цилиндрический стержень Гопкинсона, установленный на специальном основании и акустически изолированный от него при помощи резиновых прокладок.
Ударное воздействие формировалось падающим с определенной высоты грузом.
В ходе исследований регистрировалось ударное ускорение на свободном торце стержня, которое затем пересчитывалось во входное давление.
Для проверки работоспособности МЛД в условиях адекватным реальным условиям эксплуатации мобильных объектов воздушного базирования была разработана и изготовлена магнитно-импульсная метательная установка, позволяющая разгонять металлические пластины до скоростей в несколько сотен метров в секунду.
Внешний вид установки показан на рис. 12. При испытаниях механолюминесцентные датчики устанавливались в корпуса Рис. 11.
реальных изделий. В состав обоих стендов Внешний вид механического ударного входила аппаратура для регистрации им стенда и регистрирующей аппаратуры пульсов ударного ускорения и приборы регистрации выходных оптических сигналов датчиков.
Сравнение и анализ экспериментально полученных сигналов механолюминесцентных датчиков с расчётными результатами позволил сделать вывод об адекватности математической модели экспериментальным данным. При проверке адекватности математической модели в качестве значимых компонент отклика механолюминесцентного чувствительного элемента были выбраны: Y1- амплитуда Рис. 12.
импульса энергетической светимости, Y2 - Внешний вид магнитно-импульсной метательной установки и регистрирующей ап- длительность переднего фронта импульса, паратуры Y3 - длительность задержки появления излучения относительно начала импульса давления ЧЭ(t), Y4- общая длительность импульса излучения (см. рис. 13).
afs(t) 10 5 м/cа) Рис. 13.
Осциллограммы: а - импульса ударного ускоА R(t) 100 мкс рения; б - энергетической светимости МЛЧЭ;
в - расчётная зависимость импульса энергети2,2 Вт/мб) ческой светимости. Расчетная зависимость получена при входном воздействии с параметрами: А=52 МПа, t=40 мкс, что соответствует 8,Rэ, Вт/мпересчету результата измерения импульса 6,ударного ускорения 4,Y2,0 200 400 600 800 10t, мкс в) Y Для экспериментального исследования тактильных датчиков был разработан специальный стенд, конструкция которого показана на рис. 14.
Здесь регистрация светового поля осуществлялась при помощи видеокамеры типа YOKO YK-775, подключенной к персональному компьютеру. Использовался плоский круглый МЛЧЭ диаметром 56 мм, конструкция которого аналогична, показанной на рис. 2. Силовое воздействие на МЛЧЭ оказывалось путём передвижения какого-либо предмета, например, стального шарика (диаметр 32 мм, Рис. 14.
вес 110 г) по поверхности чувстви- Конструкция стенда для исследования распределённых по площади (тактильных) чувствительных тельного элемента с произвольным элементов усилием прижатия.
Пример совмещённого изображения нескольких последовательных видеокадров, выбранных через равные промежутки времени 0,2 с показан на рис. 15.
Видеокадры получены после обработки изображений на компьютере. Координатная сетка на кадрах нанесена также при компьютерном редактировании изображений.
Анализ кадров показывает, что по приведенным изображениям можно получить в режиме реального времени весьма полную информацию о взаимодействии очувствленной поверхности изделия с внешним объектом, т.е. создать тактильный динамический образ ситуации контактного взаимодействия с конкретным объектом.
Таким образом, экспериментально доказана возможность исРис. 15.
пользования механолюминесцентРезультат совмещения видеокадров. Видны: 1) моных чувствительных элементов с дуляция яркости и площади свечения за счёт неравномерности усилия прижатия; 2) локальные израспределённой по площади чувстменения направления траектории движения; 3) невительностью для визуализации и равномерность скорости передвижения. Средняя регистрации полей импульсных скорость перемещения из начального в конечное давлений с различными временныположение составила 0,025 м/с ми и амплитудными параметрами В шестой главе рассмотрены вопросы классификации механолюминесцентных датчиков, а также различные варианты и особенности применения механо люминесцентных датчиков в системах управления экстремальной робототехники и мехатроники.
Приведена разработанная классификация механолюминесцентных датчиков импульсного давления. В основу классификации положены вид спектра излучения, тип чувствительного элемента, кинетика затухания излучения, тип оптического канала связи, тип фотоприёмника и вид механического входного воздействия.
Рассмотрены примеры использования сосредоточенных и распределённых МЛД в промышленной робототехнике (датчики тактильного очувствления адаптивных схватов манипулятора) и военной робототехнике (датчики импульсных ударных воздействий), автомобильной мехатронике (датчики детонации и датчики срабатывания подушек безопасности).
В седьмой главе проведена оценка информационно-измерительных возможностей МЛЧЭ. С точки зрения теории информации рассмотрены вопросы определения информационной ёмкости распределенного МЛЧЭ и показано, что количество информационных каналов повышает объем информации эффективнее, нежели число различимых градаций излучения в пределах одного канала.
Проведена оценка эффективности оптоэлектронных информационных цепей датчиков по сравнению с электрическими кабельными цепями. На основе сравнительных оценок повышения помехоустойчивости сформулированы основные условия целесообразности применения таких цепей с МЛД: 1) длительное воздействие ЭМП; 2) протяженные линии связи между датчиками и системой управления;
3) необходимость снижения порога срабатывания логических элементов блоков обработки информации системы управления; 4) повышенная чувствительность обычных электронных датчиков к ЭМП.
Различие формы входных механических и выходных оптических сигналов ограничивает измерительные возможности МЛД и требует своего разрешения.
Наиболее простым и доступным способом разрешения данной проблемы является алгоритмическая обработка выходного сигнала. Цель такой обработки выходного сигнала состоит в том, чтобы после ряда математических преобразований восстановить форму входного импульса давления, действовавшего на чувствительный элемент.
Для придания механолюминесцентному чувствительному элементу свойств измерительного преобразователя предложен способ обработки оптического сигнала, позволяющий с достаточной точностью восстановить форму входного давления выше предела текучести (порога чувствительности) p(t). Для этого следует:
1) определить первообразную Z(t) подынтегральной функции z(t) путем умножения выходного сигнала на экспоненциальную функцию Z (t) R(t)exp t л ; 2) путем дифференцирования по времени полученной функции Z(t) определить подынтегральную функцию эффективной скорости изменения энергетической светимости z(t); 3) найти значения входного давления p(t) выше уровня предела текучести s путём деления значений полученной функции z(t) на величину квазичувствительности Sqi для соответствующих диапазонов давлений. Величина ква зичувствительности составила:Sq1=1,210-2 ВтМПа-1м-2с-1 в диапазоне давлений 45Е90 МПа;Sq2=0,410-2 ВтМПа-1м-2с-1 в диапазоне давлений 90Е1МПа;Sq3=0,1310-2 ВтМПа-1м-2с-1 в диапазоне давлений 180Е360 МПа. Величина нелинейности на всех трех участках не превышает 4%. Здесь приставка квази- указывает на то, что параметр определяется по отношению к преобразованной производной величине выходного сигнала, а не к самому выходному сигналу и строгому определению термина чувствительность не отвечает.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Проведенные исследования позволили установить новые закономерности формирования выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов и найти решение ряда проблем в области очувствления систем управления роботизированной техники, работающей в экстремальных условиях.
В частности:
1. Рассмотрены особенности работы информационных цепей систем управления мехатронных и робототехнических объектов. Установлено, что достаточно высокий уровень электромагнитных помех от внутренних и внешних источников ограничивает требования по повышению чувствительности и информативности электронных датчиков импульсного давления, использующих кабельные линии связи. Показано, что противоречие между требованиями повышения чувствительности и обеспечения помехоустойчивости можно решить путем применения оптических и волоконно-оптических линий связи и датчиков светогенерационного типа. Показано, что наиболее просто поставленная цель может быть решена за счет применения датчиков с механолюминесцентными чувствительными элементами, работающими по принципу прямого преобразования механической энергии в энергию светового импульса.
2. Показано, что за счет применения механолюминесцентных чувствительных элементов с волоконо-оптическими связями вероятность ложной тревоги от срабатывания от электромагнитных помех может быть снижена на несколько порядков.
3. Проведен анализ известных конструкций, на основе которого выявлены основные особенности, достоинства и недостатки механолюминесцентных чувствительных элементов, а также сформулированы требования к элементам конструкции датчиков.
4. На основе анализа известных конструкций впервые разработана классификация механолюминесцентных датчиков.
5. Проведен анализ свойств материалов, обладающих механолюминесцентными свойствами и определен материал, который обладает наиболее ярким свечением (сульфид цинка, легированный марганцем - ZnS:Mn).
6. Проведено теоретическое исследование физических основ явления механолюминесценции цинксульфидных кристаллофосфоров (в основном ZnS:Mn) с целью выявления механизма явления.
7. Разработана математическая модель (функция преобразования) механолюминесцентного чувствительного элемента, в основу которой положено явление туннелирования электронов примесных центров свечения в электрическом поле движущихся заряженных дислокаций, возникающее при пластической деформации чувствительного элемента. Задача расчета кинетики пластического деформирования решена для случая квазистатического одноосного нагружения на основе микроскопической модели изотропной упругопластической среды с упрочнением, согласно которой пластическая деформация рассматривается как результат движения и размножения дислокаций.
8. Впервые разработана методика расчёта выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов.
9. Впервые исследованы основные закономерности процессов формирования выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов при воздействии импульсов давления с различными амплитудновременными параметрами. Теоретическая оценка КПД механолюминесцентного преобразования показала, что для исследованного диапазона входных давлений он находится в диапазоне 0,3Е0,5%.
10. Проведена оценка влияния на результаты расчетов выходных оптических сигналов дислокационных параметров, входящих в математическую модель и сформулированы требования к точности этих параметров.
11. Разработаны опытные образцы механолюминесцентных датчиков с сосредоточенным и распределённым чувствительным элементом, а также фотоприемное устройство для регистрации выходных оптических сигналов.
12. Проведены экспериментальные лабораторные исследования опытных образцов механолюминесцентных датчиков импульсного давления с целью определения основных параметров и характеристик, проверки работоспособности, а также подтверждения теоретических положений и выводов.
13. Методами физического моделирования подтверждены основные положения теории и правильность разработанной методики расчета выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов. Расхождения между расчетными и экспериментальными значениями выходных оптических сигналов составляют 8-12%, что можно считать удовлетворительным для сложных и нестационарных процессов движения дислокаций в кристаллах.
14. Разработана магнитно-импульсная испытательная установка, позволяющая в лабораторных условиях воспроизводить параметры импульсов давления, соответствующие реальным условиям работы мехатронных и робототехнических систем авиационно-космических изделий. Установка предназначена для отработки датчиков импульсного давления совместно с элементами конструкции изделия или совместно с изделием в целом.
15. Разработана методика обработки выходного оптического сигнала, позволяющая по выходному сигналу однозначно определять значения входного импульса давления. Величина квазичувствительности составила:
Sq1=1,210-2 ВтМПа-1м-2с-1 в диапазоне давлений 45Е90 МПа;
Sq2=0,410-2 ВтМПа-1м-2с-1 в диапазоне давлений 90Е180 МПа;
Sq3=0,1310-2 ВтМПа-1м-2с-1 в диапазоне давлений 180Е360 МПа.
16. Предложены технические решения по повышению чувствительности (энергетической светимости) механолюминесцентных датчиков, во-первых, за счёт введения концентраторов напряжений, во-вторых, за счёт уменьшения общей плотности дислокаций исходного механолюминесцентного материала.
17. Результаты проведенного комплекса исследований и опытноконструкторских работ внедрены в ФГУП НИИ Поиск (г. С.-Петербург), ФГУП ВПО Точмаш и ОАО НИКТИД (г. Владимир), ФГУП ФНП - Прибор (г.
Москва) при создании датчиков импульсного давления для систем управления мобильными мехатронными объектами.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в работах 1. Татмышевский К.В. Стенд для исследования некоторых характеристик триболюминофоров// Сборник тезисов докладов НТК к 150-летию МВТУ им. Н.Э.
Баумана. М.: МВТУ, 1980. С. 101.
2. Татмышевский К.В. Стенд для исследования характеристик механолюминесцентных датчиков динамического давления// Сборник тезисов докладов Молодые ученые - производству. Владимир: ВОДТ НТО, 1985. С.29.
3. Татмышевский К.В. Механолюминесцентный датчик давления// Мат-лы НТС Повышение эффективности испытаний приборных устройств. М.:
ЦНИИНТЭИ, 1989. С.19-21.
4. Татмышевский К.В. Механолюминесцентный датчик динамического давления с распределенными характеристиками// Сборник материалов НТС Разработка и применение перспективных приборов для измерения угловых скоростей и ускорений. М.: НТ - Информтехника, 1991. С.47-50.
5. Татмышевский К.В. Механолюминесцентный преобразователь// Мат-лы НТК Проблемы конверсии и испытаний приборных устройств. М., 1993. С.6971.
6. Михайлова Л.П., Татмышевский К.В. Механолюминесцентный преобразователь// Сборник тезисов докладов Международной НТК Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления ДАТЧИК-93.
Часть 2. Гурзуф, 1993. С. 227-228.
7. Карпов С.А., Татмышевский К.В. Светогенерационный датчик давления с распределённым чувствительным элементом// Сборник тезисов докладов НТС ВАА им. Калинина. СПб., 1995. С.137.
8. Карпов С.А., Татмышевский К.В. Светогенерационный датчик давления// Мат-лы НТК Конверсия, приборостроение, рынок. Владимир: ВГТУ, 1995. С.
55-57.
9. Карпов С.А., Татмышевский К.В. Классификация светогенерационных датчиков// Сборник научных трудов ВГУ Автоматические системы контроля в технике и медицине. Владимир, 1996. С. 99-102.
10. Татмышевский К.В., Шагурин А.Л. Математическая модель светогенерационного датчика давления // Междунар. научная конференция Современные информационные технологии в образовательном процессе и научных исследованиях. Сб. статей. Шуя, 2000. С. 45.
11. Каляев М.А., Татмышевский К.В., Шагурин А.Л. Информационные возможности светогенерационных датчиков ударных нагрузок// Мат-лы докладов IV Всероссийской НТК Актуальные проблемы развития автономных информационных и управляющих систем на основе высокоэнергетических конденсированных материалов в XXI веке. СПб., 2002. С. 228-238.
12. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Механолюминесцентные (светогенерационные) сенсорные элементы для современных информационноизмерительных технологий// Тезисы докладов IV Международной НТК Электроника и информатика - 2002, МИЭТ, 19-21 ноября 2002 г. Ч.2. Москва. С. 260262.
13. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Механолюминесцентные (светогенерационные) сенсорные элементы полей механических напряжений// Мат-лы докладов XV НТК Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления ДАТЧИК-2003. Судак, 2003. С. 78.
14. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Математическая модель внутрицентровой механолюминесценции// Мат-лы III Международной НПК Математическое моделирование в образовании, науке и производстве. Тирасполь, 2003. С.
140.
15. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Механолюминесцентные (светогенерационные) сенсоры ударных нагрузок// Мат-лы докладов Общероссийской НТК Первые Рдултовские чтения. Часть 1. СПб.: БГТУ Военмех, 2003. С.
159-167.
16. Татмышевский К.В. Механолюминесцентные сенсорные элементы. Основы теории, расчета и вопросы проектирования. Владимир: ВГУ, 2004. 136 с.
17. Татмышевский К.В., Макарова Н.Ю. Механолюминесцентный сенсорный элемент: математическая модель и расчет выходных оптических сигналов // Проектирование и технология электронных средств. 2004. № 1. С. 2-8.
18. Татмышевский К.В. Контактные датчики ударных воздействий на основе явления механолюминесценции // Известия РАРАН. 2004. №3. С. 114-123.
19. Татмышевский К.В. Механолюминесцентные датчики давления: классификация, характеристики и основы проектирования // Проектирование и технология электронных средств. 2004. №3. С. 10-19.
20. Татмышевский К.В. Информационные свойства механолюминесцентных сенсоров // Проектирование и технология электронных средств. 2004. №4. С. 1621.
21. Татмышевский К.В. Механолюминесцентные сенсоры импульсного давления// Труды Международного Оптического конгресса Оптика - XXI век. Прикладная физика. СПб., 2004. С.53.
22. Татмышевский К.В. Механолюминесцентные сенсоры давления// Сб.
трудов VI Международной конференции Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии м микросистемы. Ульяновск: УГУ, 2004. С. 164.
23. Татмышевский К.В. Теоретическое и экспериментальное исследование механолюминесцентных сенсоров// Труды Первой Всероссийской НТК с международным участием Мехатроника, автоматизация, управление. М.: Новые технологии, 2004. С. 325.
24. Татмышевский К.В. Классификация и особенности применения механолюминесцентных датчиков давления // Датчики и системы. 2004. № 12. С. 30-33.
25. Татмышевский К.В. Механолюминесцентные (светогенерационные) сенсорные элементы для современных информационно-измерительных технологий // Микросистемная техника. 2004. №12. С. 4-10.
26. Татмышевский К.В. Механолюминесцентный чувствительный элемент:
математическая модель и основные характеристики //Датчики и системы. 2005. № 1. С. 10-15.
27. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Механолюминесцентные сенсоры импульсного давления: результаты экспериментального исследования// Проектирование и технология электронных средств. 2005. № 2. С. 2-8.
28. Татмышевский К.В. Механолюминесцентные сенсорные устройства сосредоточенного и распределенного типа // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. № 2. С. 43-49.
29. Татмышевский К.В. Механолюминесцентный чувствительный элемент:
математическая модель и динамические свойства//Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2005. №4. С. 35-39.
30. Makarova N. Yu., Tatmyshevsky K.V. Mechanoluminescent smart materials// Physics of Electronic Materials: 2nd International Conference Proceedings, Kaluga, Russia, May 24-27, 2005. Vol. 2 / Ed. K.G. Nikiforov. - Kaluga: KSPU Press, 2005. PP.
186-189.
31. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Механолюминесцентные сенсоры давления на основе соединения ZnS:Mn// Сб. трудов VII Международной конференции Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии м микросистемы. Ульяновск:
УГУ, 2005. С.197.
32. Татмышевский К.В., Козлов С.А., Семенович М.Л. Магнитно-импульсные метательные установки для ударных испытаний взрывательных устройств боеприпасов и средств бронезащиты// Известия РАРАН. 2005. № 4. С.22-31.
33. Татмышевский К.В., Рахманов З.Т. Экспериментальные исследования механолюминесцентных сенсоров// Проектирование, конструирование и производство авиационной техники/ Под ред. Ю.Ю.Комарова. М.: Изд-во МАИ, 2005. С.
188-193.
34. Татмышевский К.В., Козлов С.А. Магнитно-импульсные установки для испытаний изделий авиакосмической техники на ударные воздействия// Авиакосмическое приборостроение. 2005. № 12. С.52-57.
35. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Стенд для экспериментального исследования механолюминесцентных датчиков импульсного давления// Приборы и техника эксперимента. 2006. Т.49. № 1. С. 135-141.
36. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Процесс преобразования в механолюминесцентном сенсоре давления// Инженерная физика. 2006. №1. С. 1-6.
37. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Методика обработки выходного оптического сигнала механолюминесцентных датчиков импульсного давления// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. № 3. С. 34-39.
38. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Механолюминесцентные сенсоры для измерительных систем с волоконно-оптическими связями// Информационноизмерительные и управляющие системы. 2006. № 4. С.3-9.
39. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Механолюминесцентные датчики импульсного давления. Обработка выходного оптического сигнала// Измерительная техника. 2007. № 10. С.28-31.
40. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Механолюминесцентные датчики внутренних напряжений композитных конструкций для современной аэрокосмической техники// Авиакосмическое приборостроение. 2007. № 4. С. 26-32.
41. Макарова Н.Ю., Павлов Д.Д., Татмышевский К.В. Использование механолюминесцентных датчиков для измерения импульсного давления// Автоматизация в промышленности. 2007. № 11. С. 46-50.
42. Патент РФ № 2305847, МПК G01P 15/093. Механолюминесцентный датчик удара/ Татмышевский К.В., Рахманов З.Т., Макарова Н.Ю., Спажакин А.Г.
(РФ)/ - №2006105355/28; Заявл. 20.02.2006; Опубл. 10.09 2007; Бюл. № 25.
43. Татмышевский К.В., Козлов С.А., Григорьев А.С. Магнитно-импульсные метательные устройства для воспроизведения в лабораторных условиях высокоскоростных ударных воздействий// Приборы и техника эксперимента. 2008. Т.51.
№ 3. С.448-455.
44. Татмышевский К.В., Макарова Н.Ю., Павлов Д.Д., Игнатьев Н.В., Иванов А.А. Контактные механолюминесцентные датчики цели с повышенной энергетической светимостью// Материалы ВНТК Исследование, проектирование, испытание и эксплуатация приборных устройств военной техники. М.: РАРАН. 2008.
С. 154-159.
45. Татмышевский К.В. Контактные взрывательные устройства на основе явления механолюминесценции// Материалы ВНТК Исследование, проектирование, испытание и эксплуатация приборных устройств военной техники. М.:
РАРАН. 2008. С.159-168.
46. Барбашов Г.В., Карпов С.А., Милушев Ю.Й., Сулин Г.А., Татмышевский К.В. Светогенерационные датчики динамического давления экстремальных систем// Труды Общероссийской НТК Вторые Рдултовские чтения. СПб.: БГТУ Военмех. 2008. Ч.1. С. 79-84.
47. Барбашов Г.В., Карпов С.А., Сулин Г.А., Татмышевский К.В. Механолюминесцентные датчики динамического давления для жестких условий эксплуатации. Там же. С.84-88.
48. Татмышевский К.В. Макарова Н.Ю., Павлов Д.Д., Игнатьев Н.В. Механолюминесцентные сенсоры давления с повышенной энергетической светимостью. Там же. С. 143-150.
49. Татмышевский К.В., Козлов С.А., Григорьев А.С., Григорьев К.С. Журавлев В.А., Федулов Е.Н. Метательные магнитно-импульсные установки для испытания датчиков цели на ударные воздействия. Там же. Ч.2. С. 3-10.
50. Татмышевский К.В. Расчет выходных оптических сигналов механолюминесцентных чувствительных элементов// Известия вузов. Приборостроение. 2008.
Т.51. № 7. С. 55-60.
В авторской редакции Подписано в печать __.__.__. Усл. печ. л.. Тираж 100 экз. Заказ № ______ Отпечано в типографии Издательства ВГУ
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям