Блочно-иерархическое моделирование физического принципа действия многофункциональных преобразователей

Размещено на http://www.allbest.ru/

10

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Блочно-иерархическое моделирование физического принципа действия многофункциональных преобразователей

Незаметдинова Эльвира Рафаэльевна

Специальность: 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Астрахань -- 2007

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Шикульская Ольга Михайловна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ураксеев Марат Абдуллович,

доктор технических наук, профессор Прохоров Сергей Антонович.

Ведущая организация: Пензенский государственный университет

Защита состоится 3 ноября 2007 г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева 20 «а», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.

Автореферат разослан «28» сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. т. н., профессор Петрова И.Ю.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Экономическое благосостояние страны, ее динамичное развитие базируется, прежде всего, на наукоемких технологиях, и первое место среди них занимают информационные технологии и полупроводниковая электроника. Именно эта отрасль промышленности является двигателем научно-технического прогресса стран.

Последние достижения микроэлектроники представлены широким спектром электронных компонентов для разработок и опытного производства. К числу таких компонентов относятся преобразователи.

Рынок датчиковой аппаратуры в развитых странах на протяжении последних десятилетий имеет один из самых высоких показателей темпов роста в приборостроении. В среднем, производство микроэлектронных датчиков в США, Японии и Германии возрастает за год в 1,5-2 раза. По оценкам экспертов, суммарный рынок датчиков общего применения в развитых странах увеличится с 1998 г. с 27,6 до 43,0 млрд. долл. к 2008 г.

Необходимость поддержания высокой надежности и безаварийности сложных технических систем вынуждает разработчиков увеличивать число контролируемых параметров и, как следствие, применять множество разнообразных датчиков физических величин. Например, на летательных космических и авиационных аппаратах число датчиков составляет от 250 до 2000 в зависимости от типа объекта. Такое количество датчиков можно резко сократить, заменив их на многофункциональные.

Актуальной становится задача создания многофункциональных датчиков, измеряющих одновременно несколько параметров. Применение многофункциональных датчиков позволит обеспечить эффективные по затратам измерения.

За рубежом высокими темпами ведется разработка и внедрение многофункциональных датчиков в военную технику. На их создание нацелены программы DARPA SensIT и Argus, отвечающие новой концепции развития разведывательных систем ВВС США.

Снижение сроков разработки и ужесточение требований, предъявляемых к датчикам, требуют поиска новых конструктивных и схемных решений и эффективных методов их проектирования.

Исследованием в области концептуального проектирования занимались многие отечественные и иностранные ученые. Большой вклад в эту область внесли М.Ф. Зарипов, И.Ю. Петрова, А.И. Половинкин, В.А. Камаев, С.А. Фоменков и др. Теория энергоинформационных моделей цепей (ЭИМЦ), созданная профессором М.Ф. Зариповым и его учениками, позволяет наиболее эффективно проектировать физический принцип действия чувствительных элементов систем управления. Однако, несмотря на постоянное совершенствование энергоинформационного метода, в связи с появлением новых уникальных возможностей, предоставляемых использованием современных технологий и материалов, возникли задачи, которые теория ЭИМЦ на данном этапе решить не может. В частности, это относится к автоматизации синтеза физического принципа действия (ФПД) многофункциональных преобразователей.

Теоретически синтез физического принципа действия многофункционального преобразователя можно осуществить формированием всех возможных цепей произвольной структуры на основе теории графов. Однако, подход, опирающийся на теорию графов, сопряжен с выполнением такого объема математических операций, который не реализуем современными средствами вычислительной техники в обозримые сроки.

На основе анализа эволюции систем и с помощью известных законов развития технических систем установлено, что применение иерархических структур - это единственный путь увеличения эффективности, надежности и устойчивости в системах средней и большой сложности. Так как любая система может быть представлена в виде совокупности иерархических уровней, предложено в качестве элементов синтеза использовать не только элементарные звенья, как это принято в теории ЭИМЦ, но и готовые фрагменты цепей сложной структуры, представленные в виде блока, как многоуровневой системы элементов.

Использование блоков при синтезе новых технических решений позволит максимально упростить структуру их соединений в схемах ФПД технических устройств, что имеет важное практическое значение.

Для реализации предложенного подхода необходимо создание модели преобразовательного элемента, которая позволяла бы делать его сквозное описание и механизмов использования этой модели при синтезе новых технических решений.

Объектом исследования являются многофункциональные преобразователи различных физических величин в электрические сигналы.

Предмет исследования -- модели и алгоритмы для синтеза физического принципа действия преобразователей.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка моделей, алгоритмов и комплекса программ для синтеза физического принципа действия многофункциональных преобразователей.

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

1. Разработка обобщенной иерархической модели ФПД преобразовательного элемента.

2. Разработка математических моделей преобразователей параметров движения и их элементов на основе обобщенной иерархической модели.

3. Разработка иерархического макета паспорта преобразовательного элемента.

4. Разработка алгоритмов и комплекса программ для расчета выходных параметров преобразовательного элемента по обобщенной иерархической модели и синтеза ФПД многофункциональных преобразователей.

5. Проведение ретроспективного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения путем патентных исследований глубиной 5 лет.

6. Синтез ФПД многофункционального преобразователя с улучшенными эксплуатационными характеристиками на основе вышеуказанных моделей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы методы математического моделирования, теории ЭИМЦ и аппарат параметрических структурных схем, методы, проектирования, программирования, теории принятия решений, системного анализа, технической механики, электротехники.

Достоверность и обоснованность работы. Обоснованность результатов обусловлена корректным применением указанных методов исследования. Достоверность подтверждается сравнением результатов, полученных на основе использования энергоинформационного метода, и разработанных математических моделей ФПД конкретных преобразователей, а также практическим применением результатов диссертационной работы, что отражено в актах внедрения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Обобщенная иерархическая модель ФПД преобразовательного элемента в виде блока.

2. Математические модели ФПД преобразователей и их элементов, полученные на основе использования обобщенной иерархической модели.

3. Иерархический макет паспорта преобразовательного элемента.

4. Результаты анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения.

5. Алгоритмы для автоматизации синтеза ФПД преобразователей.

Научная новизна:

1. Разработана обобщенная иерархическая модель преобразовательного элемента в виде блока, которая за счет реализации заложенного в ней принципа фрактальности предлагает универсальный механизм расчета эксплуатационных характеристик преобразовательного элемента.

2. Разработаны математические модели микроэлектронного тензорезисторного датчика деформации, интегрального микромеханического акселерометра-клинометра и их элементов, включающие описание их ФПД в виде формализованной иерархической структуры, значения эксплуатационных характеристик базовых элементов и полученные на основе специфических областей знаний и энергоинформационного метода математические зависимости для определения значений эксплуатационных характеристик всех структурных элементов модели.

3. Разработан иерархический макет паспорта преобразовательного элемента для формализованного представления в виде иерархической структуры его ФПД, являющийся первичным документом для ввода информации в базу данных.

4. Результаты анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения.

Практическая ценность работы:

1. На основе обобщенной иерархической модели созданы алгоритмы, комплекс программ для расчета выходных параметров преобразовательного элемента и синтеза ФПД многофункциональных преобразователей.

2. На основе использования результатов проведенного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения, разработанных математических моделей и паспортов преобразователей синтезирован многофункциональный датчик «Интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр», имеющий более высокую чувствительность по сравнению с прототипом.

Результаты научных разработок внедрены в Астраханском научно-исследовательском и проектном институте газа (АстраханьНИПИгаз), что позволило повысить качество и производительность проектирования. Предложенные модели используются в учебном процессе вуза при преподавании дисциплин, связанных с изучением измерительных преобразователей.

Личный вклад автора.

В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат проведение ретроспективного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения, анализ и систематизация существующих методов проектирования преобразователей, разработка обобщенной иерархической модели ФПД преобразовательного элемента, математических моделей полупроводниковых преобразователей параметров движения, алгоритмов, проектирование и реализация программного обеспечения.

Апробация научных результатов. Основные положения докладывались и обсуждались на XVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях -- ММТТ-18» (Казань, 2005), IV Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование» (Анжеро-Судженск, 2005), Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Электронный университет как условие устойчивого развития региона» (Астрахань, 2005), Международной конференции, посвященной 75-летию со дня образования Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2005), X Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи» (Томск, 2006), III межвузовской научно-практической конференции «Тенденции развития современных информационных технологий, модели экономических, правовых и управленческих систем» (Рязань, 2006), Международном симпозиуме «Надежность и качество 2006» (Пенза, 2006), научно-практической конференции «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий Инфо-2006» (Сочи, 2006), Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2006), Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» (Астрахань, 2007).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 18 опубликованных научных работах, в том числе в 5 статьях в периодических и научно-технических изданиях, выпускаемых в Российской Федерации, в которых ВАК рекомендует публикацию основных научных результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 110 страницах машинописного текста.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования.

В первой главе выполнен анализ состояния, направлений исследований микроэлектронных преобразователей, приводится обзор методов поиска принципов действия технических систем.

Существующие методы поиска принципов действия технических систем (теория решения изобретательских задач, комбинаторный метод поиска принципов действия, функционально-физический метод поискового конструирования, комплексный метод проектирования датчиков, методы с использованием количественных моделей) в полной мере не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям: не позволяют глубоко исследовать специфические особенности физических процессов или обладают высокой вычислительной трудоемкостью и высокой сложностью реализации. С повышением степени формализации возрастает специализация методов и, соответственно, сужаются границы его применения. Выявленное противоречие между степенью формализации метода и его универсальностью в наибольшей мере удалось преодолеть в энергоинформационном методе.

Однако автоматизированный синтез новых технических решений на базе энергоинформационного метода формирует только последовательную структуру цепей, что значительно ограничивает область поиска ФПД технического устройства, в частности, не позволяет синтезировать ФПД многофункциональных датчиков нового поколения, измеряющих одновременно несколько параметров. В связи с этим возникает вопрос о синтезе цепей ФПД технических устройств разветвленной структуры.

Таким образом, выявлена необходимость проведения научного исследования для разработки более эффективного по сравнению с существующим подхода к синтезу новых технических решений, и создание на его основе математического, алгоритмического и программного обеспечения.

Во второй главе приведено описание разработанной обобщенной иерархической модели ФПД преобразовательного элемента в виде блока.

В соответствии с энергоинформационным методом любая конструкция преобразователя может быть исследована с помощью модели, описывающей её физический принцип действия в виде совокупности цепей различной физической природы, взаимодействующих между собой. Цепь любой физической природы представляет собой соединение элементов преобразования, основанных на унификации представления информации о различных классах физических явлений. Использование четырех величин и шести параметров позволяет формализовать описание ФПД технического устройства в виде параметрической структурной схемы.

ФПД реального физического устройства может быть представлен цепью произвольной структуры. Теоретически существует возможность автоматизировать синтез цепей произвольной структуры на основе применения орграфов. В этом случае число возможных орграфов, содержащих V вершин, составит . В теории ЭИМЦ количество вершин графа, определяемое как произведение количества видов величин на количество видов физической природы явлений, равно 54, тогда количество графов, соответственно, - . Практически просчитать такое количество графов невозможно, из чего следует неприемлемость синтеза цепей произвольной структуры, что значительно сужает область синтезируемых технических устройств, в частности, не позволяя получить многофункциональные датчики.

Для решения выявленной проблемы предложен новый подход, ключевым понятием которого является блок. Под блоком понимается элемент системы, описывающий преобразование заданного начального входного воздействия в заданный конечный результат (выход).

Блок имеет многоуровневую иерархическую структуру.

Разработанная модель блока базируется на трех основополагающих принципах:

_ иерархичности - структурирование информации об объекте по степени детальности описаний;

_ декомпозиции - разбиение представлений каждого уровня на ряд составных частей (блоков);

_ фрактальности - описание системы на разных уровнях иерархии с помощью одних и тех же законов.

Блочно-иерархическое представление преобразователя и элементов позволяет создать его многоуровневую модель и разложить ФПД преобразователя на ряд иерархических уровней по степени подробности отражения преобразований. Назначение многоуровневой модели блока - структуризация информации по преобразователям и их элементам и использование при синтезе ФПД новых технических решений.

Модель блока преобразования включает в себя четыре уровня: мета-, макро-, мезо- и микроуровень (рис.1).

На метауровне происходит:

_ выявление ограничений и условий работоспособности системы;

_ определение оптимальных параметров системы - задание критериев выбора, отождествляемых с эксплуатационными характеристиками преобразователей, используемых для оптимизации полученных решений.

На макроуровне объект моделирования представлен единственным блоком с граничными стрелками (вход-выход).



Рис.1. Многоуровневая модель блока

На мезоуровне объект макроуровня подвергается последовательной декомпозиции. Неделимые элементы последнего уровня декомпозиции, представляющие собой элементарные звенья, описанные теорией ЭИМЦ, образуют микроуровень и называются базовыми.

Использование принципа фрактальности при построении блока обеспечивает инвариантность его описания к изменению масштаба. Механизм формирования блока как фрактальной структуры заключается в многократном воспроизведении «шаблонных» форм на каждом уровне иерархии с их постоянным наложением друг на друга. «Шаблонные» формы соединений элементов блока должны выбираться из некоторого конечного множества элементарных типовых соединений S, сочетание которых позволяет получить любую сложную структуру. Для формирования множества

S = {S_i| i = 1, ... , N}

выявлены типовые элементарные соединения. Для некоторых из них известны расчетные соотношения для определения отдельных эксплуатационных характеристик, остальные - выведены автором. Структура блока формируется только на основе типовых элементов множества S.

Разработан алгоритм для построения блока (рис.2).

Блок В, как модель преобразовательного элемента, может быть представлен в виде следующей совокупности параметров (1):

ВМ = ‹ Р, W_вх, W_вых, F, R ›, (1)

где Р - объект моделирования (ФПД преобразовательного элемента);

W_вх - входные параметры модели (значения эксплуатационных характеристик блока микроуровня, структура блока, номер уровня);

W_вых - выходные параметры модели (значения эксплуатационных характеристик блока для уровня k, k?n);

F - функция перевода (2);

R - правила вывода (формулы расчета типовых элементарных соединений множества S).

Принцип фрактальности, лежащий в основе модели, позволяет использовать рекурсию при формировании функции перевода F (2):

Рис.2. Блок-схема алгоритма построения блока:

ПСС - параметрическая структурная схема; БСС - блочная структурная схема; S - множество типовых элементарных соединений

,(2)

где s - код структуры блока (0 - простой, 1 - составной);

j - номер вида соединения элементов каждого узла;

n - количество уровней иерархии;

m(n) - количество блоков на каждом уровне иерархии, начиная с нижнего;

i - порядковый номер блока на рассматриваемом уровне иерархии;

k - номер эксплуатационной характеристики;

A=f_k(i,n,j) - значение k-й эксплуатационной характеристики i-го блока уровня иерархии n j-го вида соединения элементов декомпозиции блока.

Для реализации задач синтеза ФПД многофункциональных датчиков необходимо выработать формализованное описание блока, удобное для машинной обработки. С целью структурирования входной информации разработан иерархический макет паспорта блока, предполагающий графическое и табличное описания преобразователя. Одна страница паспорта содержит информацию об отдельно взятом блоке модели. Поэтому количество страниц паспорта соответствует количеству вложенных блоков модели, включая блок макроуровня.

Для обеспечения связи между блоками различных уровней иерархической модели в паспорте предусмотрена область идентификаторов.

Помимо области идентификаторов табличное описание блока включает область входных и выходных данных блока, область формул (функции перевода математической модели в терминах ПСС и правила вывода в терминах описания физической модели), область значений эксплуатационных характеристик, справочный аппарат.

Графическая составляющая паспорта содержит иерархическое представление схемы блока и его декомпозиции в виде ПСС, рисунок конструктивно-технической реализации блока.

Созданная обобщенная иерархическая модель является основой для разработки структуры, состава базы данных, алгоритмов расчета выходных параметров преобразователей и их синтеза, а макет паспорта - для систематизации входной информации.

В третьей главе описаны разработанные алгоритмы синтеза физического принципа действия многофункциональных преобразователей, расчета эксплуатационных характеристик блоков, приводится описание комплекса программ, созданных на основе разработанных моделей и алгоритмов.

Алгоритм синтеза ФПД датчика с заданными входными и выходными величинами (рис.3) позволяет синтезировать ФПД как традиционных, так и многофункциональных датчиков. Использование в качестве элементов синтеза составных блоков позволяет свести к минимуму возможные варианты соединения звеньев синтезируемой цепи: последовательное соединение для традиционных датчиков; последовательное соединение, слияние и разветвление - для многофункциональных. Если заданы одна входная и одна выходная величина (традиционный преобразователь), то синтез осуществляется согласно энергоинформационному методу. Отличие состоит лишь в том, что компонентами синтезируемой цепи могут быть как простые элементы, так и блоки с любого уровня декомпозиции формализованных известных технических устройств, используемых для синтеза новых технических решений.

Если количество входных величин больше одной, то синтез ФПД начинается с поиска мультиэффектов. При отсутствии мультиэффектов в соответствии с заданными ограничениями (метауровень), синтезируются отдельные цепи для каждой входной величины. В этом случае результатом синтеза могут быть либо различные преобразователи для каждой измеряемой величины, либо многофункциональный преобразователь, цепи ФПД в котором объединены морфологическими признаками (общие материалы и/или элементы конструкции) в соответствии с классификацией многофункциональных преобразователей.

Если же мультиэффекты найдены, то для каждого из них синтезируются фрагменты цепей от мультиэффекта к входным (обратный синтез) и к выходным (прямой синтез) величинам. В результате получаем цепи, фрагменты которых соединены мультиэффектом. Когда все возможные варианты получены, выполняется расчет эксплуатационных характеристик и оптимизация по совокупности эксплуатационных характеристик. Рекурсивный алгоритм расчета эксплуатационных характеристик блоков основан на использовании функции (2).

На основе разработанных моделей и алгоритмов создан комплекс программ, который позволил увеличить количество автоматически синтезированных новых технических решений и улучшить их эксплуатационные характеристики, а также синтезировать многофункциональные датчики нового поколения.

Программа расчета эксплуатационных характеристик элементов преобразователей сложной структуры построена на алгоритмах, которые базируются на обобщенной иерархической модели ФПД преобразовательного элемента в виде блока. Программа используется на этапе формализации ФПД технических устройств перед вводом в базу данных. Она реализована на основе клиент-серверной технологии и выполняет следующие функции: ввод и корректировку справочников, ввод и корректировку структурной информации о преобразователе и его элементах, представленных в виде блоков, расчет значений выходных параметров (эксплуатационных характеристик) каждого составного элемента блочно-иерархической структуры преобразователя, вывод на печать в форме паспорта блока и/или автоматический перенос в базу данных информации по блокам для автоматизированного синтеза нового технического решения.

Автоматизированная система синтеза новых технических решений предназначена для синтеза физического принципа действия чувствительных элементов систем управления на начальном этапе проектирования в соответствии с требованиями проектировщика. Ее пользователями являются специалисты, заполняющие базу данных, и лицо, принимающее решение.

Программное обеспечение разработано на основе созданных алгоритмов и имеет клиент-серверную архитектуру. Серверная часть приложения реализована в СУБД Microsoft SQL Server 2000, клиентская - в среде Borland C++ Builder 6.0.

Разработанный комплекс программ позволил расширить возможности автоматизации поискового конструирования. Совпадение результатов синтеза ФПД некоторых технических устройств с ФПД известных устройств подтверждает достоверность результатов исследования.

Внедрение разработанного программного обеспечения в «АстраханьНИПИгаз» позволило повысить производительность проектирования на 15%.



Рис.3. Блок-схема алгоритма синтеза ФПД многофункциональных преобразователей

В четвертой главе на основе анализа патентной и научно-технической литературы определена область реализации разработанных теоретических положений и показана конкретизация обобщенной иерархической модели применительно к микроэлектронным датчикам параметров движения.

Установлено, что первое место по объему производства занимают датчики механических величин. При этом по многим отраслям имеет место значительный спрос на преобразователи для регистрации параметров движения, которые находят все большее применение в различных областях техники: от транспорта и вооружений до робототехники и медицины. Поэтому для практической реализации полученных результатов были выбраны микроэлектронные датчики параметров движения.

Для заполнения базы данных был выполнен анализ патентной литературы (глубиной 5 лет), который позволил классифицировать микроэлектронные датчики параметров движения по приемам, применяемым при их конструировании для улучшения различных эксплуатационных характеристик. Проведенный анализ позволил выявить:

_ наиболее эффективные методы, позволяющие одновременно достичь максимальное количество требуемых эксплуатационных характеристик;

_ основные направления реализации конструкторско-технологических решений: расширение диапазонов измерений в сторону малых и больших значений измеряемых величин, повышение надежности, дальнейший процесс миниатюризации датчиков, реализация многофункциональности измерений, при которых датчик одновременно измеряет различные параметры;

_ недостаточно исследованные направления достижения требуемых эксплуатационных характеристик (недостаточное использование технологических приемов для повышения чувствительности, функциональности; конструктивных - для повышения стабильности, материаловедческих - для снижения цены).

На основании разработанной обобщенной иерархической модели преобразовательного элемента с применением законов технической механики, электротехники и математики были разработаны математические модели микроэлектронного тензорезисторного преобразователя деформации, интегрального микромеханического акселерометра-клинометра и их элементов, позволяющие определять выходные параметры через входные величины, геометрические размеры элементов и параметры, определяемые физическими свойствами материалов.

Блочно-иерархическая модель «Интегрального микромеханического акселерометра-клинометра» включает блоки для измерения угла наклона, ускорения в горизонтальном, вертикальном направлениях.

Фрагмент дерева блочно-иерархической модели «Интегрального микромеханического акселерометра-клинометра», описывающий измерение ускорения в вертикальном направлении, графически представлен на рис.4, аналитически - формулами 4, 6-8.

Рис.4. Дерево блочно-иерархической модели ФПД измерения ускорения в вертикальном направлении с помощью интегрального микромеханического акселерометра-клинометра

Математическая модель ФПД измерения ускорения в вертикальном направлении:

AM = ‹A11, I'_ml1, Q_ml2, F, R›. (3)

Функция перевода F:

Q_ml2 = I'_ml1 * K_I'_mlQml , (4)

где Q_ml2 - механический линейный заряд;

I'_ml1 - первая производная по времени механической линейной реакции;

K_I'_mlQml - коэффициент передачи звена.

Для получения правил вывода R механическая часть конструкции преобразователя была представлена как плоская ферма, и на основании метода Мора была определена зависимость деформации балки в точке крепления тензорезистора от величины входного ускорения a:

, (5)

где -деформация балки в точке присоединения тензорезистора;

A - ускорение (измеряемая величина);

M - инерционная масса;

H - толщина балки;

L - длина балки;

G - модуль упругости при сдвиге (определяется свойствами материала);

- осевой момент инерции сечения балки (определяется геометрическими параметрами системы - формой и размерами сечения балки).

На основании формулы (5) получено правило вывода R математической модели:

^, (6)

^, (7)

(8)

Для каждого блока моделей определены значения усредненных эксплуатационных характеристик с использованием расчетных соотношений. Результаты сохранены в базе данных. После заполнения базы данных был реализован синтез нового технического решения в соответствии с сформулированным заданием:

Таблица. Задание на синтез

Физические термины	Термины ПСС	Обозначение
Входные величины
	Природа	Величина
Горизонтальное ускорение	Механическая линейная	Первая производная по времени реакции
Вертикальное ускорение
Угол наклона	Механическая угловая	Заряд
Выходные величины
	Природа	Величина
Сила тока	Электрическая	Реакция
Эксплуатационные характеристики
Наименование	Вес
Чувствительность	10
Габариты	8
Цена	3

Для проверки результатов работа программы осуществлялась в тестовом режиме с сохранением промежуточных результатов.

После ранжирования полученных новых технических решений по совокупности эксплуатационных характеристик выбрано наилучшее решение «Интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр», прототипом которого можно считать «Интегральный микромеханический акселерометр-клинометр». Анализ автоматически синтезированного решения позволил выявить совокупность приемов, улучшающих эксплуатационные характеристики прототипа - конденсатор заменен на тензорезистор, два тензорезистора соединены последовательно, блок из двух последовательно соединенных тензорезисторов включен в плечо мостовой схемы. Полученное решение можно изобразить в виде дерева (рис.5), где:

A1 - блок преобразования ускорения в деформацию из модели «Интегрального микромеханического акселерометра-клинометра» (описывает механическую часть конструкции);

A2 - блок преобразования деформации в электрический ток из модели тензорезисторного датчика деформации;

А21 - тензоэффект;

А22 - мост Уитстона.

Рис. 5. БСС синтезированного НТР

Ниже представлены параметрические структурные схемы нового технического решения (рис.6-8):

Рис.6. Параметрическая структурная схема ФПД измерения линейного ускорения в горизонтальном направлении



Рис 7. Параметрическая структурная схема ФПД измерения линейного ускорения в вертикальном направлении

Рис.8. Параметрическая структурная схема ФПД измерения угла наклона

Полученные модели ФПД были реализованы в конструкции многофункционального датчика - «Интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр», имеющего более высокую чувствительность по сравнению с прототипом (рис.9).

Рис.9. Интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр:

1 - полупроводниковая подложка; 2 - инерционная масса; 3 - слой дополнительной инерционной массы; 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 - упругие балки; 16, 17, 18 ,19 - опоры, расположенные на полупроводниковой подложке 1; 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 - полупроводниковые тензорезисторы

Основные результаты работы

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработанная обобщенная иерархическая модель ФПД преобразовательного элемента в виде блока позволила создать: комплекс инвариантных к структуре блока алгоритмов и программ для автоматизации начальных этапов проектирования датчиковой аппаратуры; математические модели конкретных преобразователей для использования при синтезе новых технических решений.

2. Созданные математические модели микроэлектронного тензорезисторного датчика деформации, интегрального микромеханического акселерометра-клинометра и их элементов позволили рассчитать значения их эксплуатационных характеристик с использованием программного обеспечения.

3. Разработанный макет паспорта блока позволяет формализовать и структурировать информацию о преобразователях и их элементах и использовать ее при автоматизированном синтезе многофункциональных датчиков.

4. Разработанные на основе результатов анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик, математических моделей паспорта полупроводниковых преобразователей деформации, ускорения, угла наклона позволили синтезировать многофункциональный датчик «Интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр» (заявка на изобретение рег. № 2006134929 с приоритетом от 2.10.2006г.), имеющий более высокую чувствительность по сравнению с прототипом.

5. Результаты научных разработок внедрены в «АстраханьНИПИгаз», и позволили повысить качество проектирования за счет многократного увеличения количества полученных новых технических решений. Предложенные модели используются в учебном процессе вуза при преподавании дисциплин, связанных с изучением измерительных преобразователей.

преобразовательный иерархический макет блок

Публикации по теме диссертации

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в список ВАК РФ

1. Незаметдинова Э.Р. Анализ методов достижения требуемых метрологических характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения / Э.Р. Незаметдинова // Метрология. - 2007. - № 1. - С. 13 - 18.

2. Шикульская. О.М. Определение погрешностей различных структур цепей с применением аппарата параметрических структурных схем / О.М. Шикульская, Э.Р. Незаметдинова // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. -- 2006. -- Прил. № 5. -- С. 11--14. -- ISSN 0321-2653.

3. Шикульская. О.М. Расчет чувствительности энергоинформационных моделей цепей произвольной структуры / О.М. Шикульская, Э.Р. Незаметдинова // Авиакосмическое приборостроение. - 2006. - № 12. - С.59-60.

4. Шикульская О.М. Классификация методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения / О.М. Шикульская, Э.Р. Незаметдинова // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2006. - № 11. - С.40-42.

5. Шикульская О.М. Модернизация концептуальной модели банка данных по физико-техническим эффектам на базе современных информационных технологий / О.М. Шикульская, Э.Р. Незаметдинова // Измерительная техника. - 2007. - № 1. - С.7 - 9.

Статьи в материалах международных, всероссийских конференций

6. Шикульская. О.М. Анализ физико-технических эффектов с учетом свойств полупроводниковых материалов / О.М. Шикульская, Э.Р. Незаметдинова // Информационные технологии и математическое моделирование -- ИТММ-2005. Материалы IV Всероссийской науч.-практ. конф. (18-19 нояб. 2005 г.) Ч. 1. -- Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005. -- С.121-124. -- ISBN 5-7882-0253-1.

7. Шикульская О.М. Классификация ФТЭ в преобразователях из полупроводниковых материалов / О.М. Шикульская, Э.Р. Незаметдинова // Вестник Астраханского государственного технического университета. -- 2005. -- Cпец. прил. к № 5(28). --С. 188--191. -- ISSN 1812-9498.

8. Шикульская О.М. Математический метод синтеза новых технических решений на основе современных технологий / О.М. Шикульская, Э.Р. Незаметдинова // Научное творчество молодежи: Материалы X Всероссийской научно-практической конференции (21-22 апреля 2006 г.) Ч. I. - Томск: Изд-во ун-та, 2006. - С.119-123. -- ISBN 5-7511-2015-3.

9. Незаметдинова Э.Р. Объектно-ориентированный подход к синтезу научно-технических решений / Э.Р. Незаметдинова, О.М. Шикульская // Тенденции развития современных информационных технологий, модели экономических, правовых и управленческих систем: Материалы III межвузовской научно-практической конференции (22 марта 2006 года), г. Рязань). -- Рязань: Издательство РФ МЭСИ, 2006. - С. 204-207.

10. Шикульская О.М. Моделирование системы синтеза научно-технических решений / О.М. Шикульская, Э.Р. Незаметдинова // Тенденции развития современных информационных технологий, модели экономических, правовых и управленческих систем: Материалы III межвузовской научно-практической конференции (22 марта 2006 года), г. Рязань). -- Рязань: Издательство РФ МЭСИ, 2006. - С. 342-344.

11. Шикульская О.М. Концептуальная модель банка данных по физико-техническим эффектам / О.М. Шикульская, Э.Р. Незаметдинова // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х томах. Том 1. -- Пенза: Изд-во Пенз. Гос. ун-та, 2006.- С. 184-185. -- ISBN 5-7511-1957-0.

12. Шикульская О.М. Перспективы интеграции базы данных по ФТЭ с разработанными в BPWIN моделями / О.М. Шикульская, Э.Р. Незаметдинова, М.И. Шикульский // Математические методы в технике и технологиях -- ММТТ-19. Сб. трудов XIX Международн. науч. конф. : В 10 т. Т. 8. Секция 8 / Под общ. ред. В. С. Балакирева. -- Воронеж : Гос. технол. акад., 2006. - С. 160-162. -- ISBN 5-7882-0253-1.

13. Незаметдинова Э. Р. Анализ методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения / Э. Р. Незаметдинова, О. М. Шикульская// Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий: Материалы научно-практической конференции (1-10 октября 2006 г.) -- Москва: МИЭМ, 2006. -- C. 178--182. -- ISBN 5-7511-2015-3.

14. Незаметдинова Э.Р. Оценка погрешностей элементов преобразователей по разветвленным параметрическим структурным схемам / Э.Р. Незаметдинова // Метрология. - 2006. - № 11. - С. 11 - 15.

15. Незаметдинова Э. Р. Исследование методов повышения эффективности поискового конструирования / Э. Р. Незаметдинова, О. М. Шикульская// Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий: Материалы научно-практической конференции (1-10 октября 2006 г.) -- Москва: МИЭМ, 2006. -- C. 182--184. -- ISBN 5-7511-2015-3.

16. Незаметдинова Э. Р. Блочно-иерархическое моделирование анализа и синтеза физического принципа действия многофункциональных микроэлектронных преобразователей / Э. Р. Незаметдинова, О. М. Шикульская// Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности: Материалы Всероссийской научной конференции - Астрахань: Издательский дом «Астраханский ун-т», 2007 - с.20-22.

Программы для электронных вычислительных машин

17. Программа расчета эксплуатационных характеристик элементов преобразователей сложной структуры: Св. об офиц. рег. прогр. для ЭВМ №2007611125 Россия, ФГОУВПО «Астраханский государственный технический университет» / Э.Р. Незаметдинова, О.М. Шикульская. - Заявл. 19.01.2007, зарег. 19.03.2007.

18. Автоматизированная система синтеза новых технических решений: Св. об офиц. рег. прогр для ЭВМ №2007611079, Россия, ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» / О.М. Шикульская, Л.А. Плешакова, Э.Р.Незаметдинова.- Заявл. 19.01.2007, зарег. 14.03.2007.

Размещено на Allbest.ru

...