Датчики давлений на основе оптоэлектронных преобразователей для систем управления высотно-скоростными параметрами воздушного судна

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы,
сформулированы цель и аргументирована новизна научных исследований,
показана практическая значимость полученных результатов, представлены
выносимые на защиту научные положения.
В первой главе диссертации выполнен критический анализ первичных и
вторичных измерительных преобразователей давлений системы управления
высотно-скоростными параметрами движения воздушного судна.
Датчики давлений, входящие в состав СВС, конструктивно представляют
собой совокупность первичных и вторичных измерительных преобразователей и
являются источниками информации о статическом и полном давлениях. Это
предопределяет существенную зависимость метрологических характеристик
СВС от точности измерения указанных давлений (при воздействии
дестабилизирующих факторов и от сохранения заданной точности во времени).
Анализ известных конструкций аэрометрических датчиков давлений, в
частности, распространенных УЧЭ различных типов, форм и материалов для их
изготовления, а также используемых вторичных преобразователей, позволил
выявить ряд факторов, которые накладывают ограничения на точность
измерения давлений. Отметим неустранимую нестабильность градуировочной
характеристики, высокие гистерезисные эффекты под влиянием давлений и
температуры, низкую устойчивость при воздействии ударных нагрузок и
вибраций.
Широкое распространение в современной авиации получили частотные
датчики измерения полного и статического давлений, у которых собственная
частота колебаний механического резонатора перестраивается в зависимости от
значения измеряемого давления. Выявлены достоинства датчика: низкие
(практически отсутствуют) гистерезисные эффекты, высокая стабильность
характеристик, высокий предел рабочей температуры, высокая точность
измерений, низкий порог чувствительности, основная погрешность составляет
0,01 % от измеряемого давления.
Показан, однако, ряд существенных недостатков частотных датчиков,
среди которых отметим относительно большую потребляемую мощность,
относительно большие массогабаритные параметры, влияние вибраций на
точность измерений. Отметим также, что в цепи обратной связи используется
относительно сложная схема автогенератора, обеспечивающая контроль
температуры резонатора; скачкообразное изменение выходного сигнала по
давлению при переходе через критические точки давления и погрешность,
вызванную изменением температуры, которая составляет до 7% от рабочего
диапазона давления.
Определено, что перечисленных недостатков практически не имеют
датчики давлений, в которых деформация УЧЭ за счет пространственного
распределения светового поля преобразуется в цифровой сигнал. Указанное
преобразование позволяет повысить точность и расширить диапазон измерения
аэрометрическихдатчиковдавлений.Разработанныеоригинальные
аэрометрические датчики давлений, использующие ЛФП, на основе приборов с
зарядовой связью (ПЗС), высокая чувствительность которых требует
минимальной деформации УЧЭ. Показано, что минимизация деформации
позволяет избавиться от целого ряда методических погрешностей: остаточной
деформации, нелинейности, упругих несовершенств материала, температурных
колебаний, от воздействия линейных ускорений, от воздействия вибраций, от
изменения свойств материала с течением времени и т.п. Бесконтактный съем
информации и работа информационной системы в условиях вакуума
значительно повысят эффективность процессов измерения. Отметим также
значительное уменьшение энергопотребления и массогабаритных параметров.
Во второй главе представлена методика моделирования и расчета
статических характеристик УЧЭ датчиков давлений, которая учитывает шаг
дискретизации вторичного преобразователя и закономерность изменения
измеряемых давлении, обеспечивающая получение, при минимально
необходимой деформации УЧЭ, заданной чувствительности.
Приводится обоснование выбора методики статического расчета
гофрированных мембран. За базу взята методика приближенного статического
расчета мембран с гофрировкой произвольной формы, предложенная Л.Е.
Андреевой. Основное расчетное выражение:
pR 4003
 a  b 3 ,(1)
Eh 4hh
где, p – давление при заданном прогибе центра мембраны, R – радиус мембраны,
ꞷ0 – прогиб центра мембраны, Е – модуль упругости первого рода, а и b –
коэффициенты, зависящие от формы профиля мембраны и природы материала,
η и ξ – коэффициенты, зависящие от формы профиля и радиуса жёсткого центра.
Представляемая методика расчета статических характеристик УЧЭ
выполнена с учетом технических характеристик вторичного преобразователя, в
частности, задается порог чувствительности вторичного преобразователя S в мм,
а прогиб центра мембраны представлен, как:
0i  Si,(2)
где i – шаг измерения т.е. целочисленные значения от 1 до imax≈ ω0max /S.
Преобразуя выражение (1) и (2), получаем:
 Si(Si)3  Eh4
Pi   a   b 3  4 ,(3)
hh  R
где Pi – измеренное давление на i – шаге измерения.
Значение высоты , при заданном значении статического давления P,
определяется по формуле:
 PR
T
Н  1   0,(4)
  P0


где P0 – давление на опорной высоте, T0 – температура на опорной высоте, τ –
температурный градиент, R – газовая постоянная, Н – высота при текущем давлении
P.
Преобразовав выражения (3) и (4), получаем:
    Si( Si )3  Eh 4    T0
R

Н i  1     a   b 3  4  / P0   ,(5)
 

hh  R   
где Hi – измеренное значение высоты на i -м шаге измерения.
Для оценки погрешности измерения датчика давления вводится понятие
дискретность измерения DHi, на i-м шаге измерения:
DHi  Нi 1  Нi .(6)
Именно этот параметр в дальнейшем используется как опорный параметр
для оценки погрешности измерения датчика давлений. Так как, в разработанных
датчиках в качестве опорного давления используется вакуум, то УЧЭ имеет
начальное нагруженное состояние, т.е. мембрана прогнута на величину ω0ст под
действием статического давления P.
Известно, что:
c2
P*  P ,(7)
где P* – полное давление, P – статическое давление, ρ – плотность воздуха.
Тогда, преобразовав (3) и (7), получили:
   (0 ст  Si )(0 ст  Si )3  Eh 4
ci   2   a b P   /  ,(8)
 hh3 R
 
и
 ci2
Pдин i ,(9)
где P дин i – динамическое давление при скорости ci.
 ci2
Pi *  P ,(10)
где P*i – полное давление при скорости ci.
Дискретность измерений Dсi при скорости сi:
Dci  ci 1  ci .(11)
Предлагаемый алгоритм дает возможность проводить расчет основных
конструктивных параметров УЧЭ практически во всем диапазоне их
типоразмеров и с учетом технических характеристик вторичного
преобразователя, при различных значениях и закономерностях изменения
измеряемой физической величины.
Крайне важным этапом в проектировании УЧЭ является расчет
максимального напряжения σmax при максимальной рабочей нагрузке и
коэффициент запаса прочности k. Именно эти показатели отражают способность
УЧЭ сохранять свою работоспособность во всем диапазоне эксплуатационных
нагрузок.
В работе представлен алгоритм решения задач упруго-пластичных
деформаций методом конечно-элементного моделирования с использованием
программного комплекса ANSYS.
На основе полученной математической модели разработан алгоритм и
программа для ЭВМ на языке программирования C++, обеспечивающая расчет
УЧЭ.
Предложенная методика позволяет производить моделирование и расчет
статической характеристики УЧЭ датчиков давлений, в которой учитывается
шаг дискретизации вторичного преобразователя и закономерность изменения
измеряемых давлении, обеспечивающая получение при минимально
необходимой деформации УЧЭ заданной чувствительности.
Третьяглавапосвящена
разработке методов и средств, для
проведенияисследований
метрологическиххарактеристик
датчиков давлений. С этой целью
разработаны аппаратно-программный
комплекс (АПК), а также алгоритмы
управления и обработки получаемой
информации.
Использовалась экспериментальная
Рис. 1. Фото АПК:конструкция датчика давлений на
1 – пьезоэлектрический датчик давления,
основеоптоэлектронного
2 – датчик давления на основе ЛФП,
3 – микрометр, 4 – блок управления и
преобразователя информации на базе
обработки данных, 5 – пневматическаяЛФП типа ILX554B.
система, 6 – монитор (графическийНа рис.1 представлено фото
интерфейс пользователя).рабочего места пользователя АПК.
Врезультатевоздействия
световых пятен на поверхность ЛФП, на
его выходе происходит изменение
амплитуды напряжения во времени.
Предложен алгоритм и разработана
программауправления
микроконтроллером,которые
Рис.2. Схема управления ЛФП типа
ILX544В.обеспечивают, при измерении линейных
перемещений жесткого центра мембран,
обработку сигналов с выхода ЛФП при воздействии на него одного светового
пятна.
Определено, что каждому импульсу CLK соответствует поступление на
выход ILX544В сигнала с одного пикселя(рис.2).
Таким образом, получаем, что для опроса пикселей ЛФП необходимо,
чтобы между двумя импульсами ROG было не менее 2087 импульсов CLK с
учетом рабочих и технических пикселей. Частота следования импульсов ROG
определяет быстродействие измерительной системы, использующей ЛФП,
следовательно,частотаобновления
Обработчик прерываний
АЦПинформации на ее выходе определяется
Обработка
Преобразованиедругих
вышеприведенным условием.
АЦП завершено? НЕТ событийОсобенностьюпредлагаемого
АЦПалгоритма является методика формирования
ДАС
синхроимпульсов CLК, формируемых в
прерываниианалогово-цифрового
Сигнал CLK 1?
ДА
преобразователя (АЦП) (рис.3), а для
НЕТимпульсов сброса ROG – в прерывании
СигналСигнал
контроллера прямого доступа к памяти
CLK в 1CLK в 0(ПДП) (рис.4).
СС
ОчередноепреобразованиеАЦП
С
начинается по триггеру от таймера, при этом
Выход из обработчикаоцифрованные значения сохраняются в
массиведанных,сиспользованием
Рис. 3. Блок-схемы алгоритма
контроллера ПДП.
обработки прерывания АЦП.
Предложеналгоритмработы
программы микроконтроллера, который
Обработчик прерываний контроллера
ПДПобеспечивает, при измерении линейных
Буфер ПДП
перемещений жесткого центра мембран,
заполнен полностью?
НЕТ
обработку сигналов с выхода ЛФП при
Обработка
другихвоздействии на него двух оптических пятен.
ДА
событий
контроллера
Отличием данного алгоритма является
ПДПиспользование прерываний контроллера
Стоп таймер
(ОстанавливаемD
ПДП по заполнению половины буфера.
преобразование АЦП)
Подобное решение позволило производить
Сигнал ROG в 0
математическую обработку сигнала до
Копирование содержания
буфера ПДП в другую область
завершения полного цикла опроса ЛФП и
памятиповысить быстродействие измерительной
(flagADCDMA =1)
системы.
Сигнал ROG в 1Предложен способ математической
Старт таймеробработки значений координаты светового
(Запускаем преобразование
АЦП)пятна с использованием центроид метода,
D
Dобеспечивающего вычисление координаты
«центра тяжести» изображения светового
Выход из обработчика
пятна.
Рис. 4. Блок-схемы алгоритмаАлгоритм,реализующийданные
обработки прерываниявычисления,организованследующим
образом. Вначале определяются номера n
пикселей Nmax_n, амплитуда сигнала с которых соответствует локальным
максимумам в пределах каждого из n световых пятен на фоточувствительной
поверхности ЛФП. Затем выделяется область из M/2 пикселей до и M/2 пикселей
после максимума. И для данной области осуществляется вычисление
координаты максимума сигнала, выраженное в номере пикселя, по формуле:
__
∑ / ∑ ,(12)
где MAXn – координата максимума n-го светового пятна на оптической линейке,
Ai – амплитуда сигнала с i-го пикселя в окрестностях n-го пятна, Nmax_n – номер
пикселя, амплитуда которого в пределах n-го пятна максимальна. Количество
пикселей M/2 выбирается таким образом, чтобы охватить все пиксели вокруг
локального максимума, амплитуда сигнала которых заметно превышает
начальный (темновой) уровень.
Вычисление по формуле (12) новых значений координат световых пятен
позволяет определить изменение давления по величине смещения мембраны
относительно исходного значения:
∆ 0,(13)
где Pn(t) – текущее значение изменения давления, соответствующее смещению n-го
пятна, MAXn(t) – координата максимума n-го светового пятна на оптической линейке
в текущий момент времени t, MAXn(0) – исходное значение координаты n-го светового
пятна, kn – калибровочный коэффициент, связывающий координаты n-го пятна,
выраженное в пикселях, с изменением статического давления.
Для повышения точности измерения смещения мембраны предлагается
усреднять результаты измерения изменения давления, полученные для всех n
пятен:
∑
∆ .(14)
Предложена также методика математической обработки сигнала,
отличающаяся тем что, выполняется определение координат оптического пятна
по заданному значению амплитуды сигнала. Алгоритм, реализующий данные
вычисления, организован следующим образом. Вначале определяется номер
пикселя N1_n, амплитуда сигнала которого близка к заданному значению по
фронту сигнала и, аналогично, номер пикселя N2_n на спаде сигнала. Данные
вычисления производятся для всех n световых пятен. Центральный пиксель
светового пятна определяется:
1_ 2_ /2 ,(15)
Затем выделяется область из M/2 пикселей до и M/2 пикселей после
Naver. Преобразовав выражение (11) получили:
__
∑ / ∑ ,(16)
__
где Naver_n – номер центрального пикселя n-го светового пятна.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных
исследований по оценке характеристик точности датчиков на основе УЧЭ и ЛФП,
а также влияние внутренних и граничных условий на точность измерений [2].
1. Установлено влияние характеристик источника оптического излучения
на форму выходного сигнала (рис. 5) ЛФП, в частности, интенсивности
светового потока при различных значениях потребляемого тока I.
Подобное явление называется «блюмингом». Для каждой модели
фотоэлектронных приемников и источников оптического излучения значения
а)б)

в)г)

д)е)
Рис. 5. Влияние потребляемого тока на форму выходного сигнала:
а – I = 0,04 мА, б – I = 0,08 мА, в – I = 0,10 мА, г – I = 0,13 мА, д – I = 0,16 мА, е – I = 0,17
интенсивности светового потока, при которых возникает подобный эффект
различны, поэтому при разработке необходимо обеспечить допустимый его
предел.
2. Установлено влияние режима работы ЛФП на форму выходного сигнала,
в частности, использование электронного затвора способствует увеличению
шумов (рис.6) проявляющиеся как низкочастотные колебания напряжения что, в
значительной степени усложняет процесс измерений.
3. Установлено влияние методик,
представленных в главе 3, вычисления
(12) и (16). На рис. 7 представлен результат
определения локального максимуму Nmax_n,
и центра оптического пятна Naver_n. Из
рисунка видно что, центр оптического пятна
Рис. 7. Определение локального 1 более стабилен чем локальный максимум 2,
максимума светового пятна и что обеспечивает более точное определение
центра оптического пятна: .
1 – центр оптического пятна,4. Установленыметрологические
2 – локальный минимумхарактеристикидатчиков.Вкачестве

а)б)

в)г)
Рис. 6. – Влияние режима работы ЛФП на форму выходного сигнала:
а – без электронного затвора, б –с электронным затвором, в – геометрическая форма
оптического пятна без электронного затвора, г– геометрическая форма оптического
пятна с электронным затвором
критериального параметра для оценки характеристик точности разрабатываемых
датчиков давлений определена точность измерения положения геометрического
центра УЧЭ – ω0. Выбор обусловлен тем, что данный параметр не зависит ни от
геометрических размеров ни формы УЧЭ, но в свою очередь, позволял оценивать
точность любого датчика давлений в целом с использованием методики,
предложенной во второй главе.
В таблице 1 представлены результаты статистического анализа
Таблица № 1– Результаты определения положения геометрического центра УЧЭ
НаименованиеЗначение
Частота измерений, Гц4002001006650
Кратность
безбез234
усреднения
Количество
1* и 212121212
оптических пятен
Абсолютная
погрешность ±∆ ω0,1,0570,633 0,278 0,337 0,1550,327 0,137 0,238 0,100
мкм
Среднеквадратическое
0,420,210,071 0,100 0,0495 0,099 0,045 0,082 0,034
отклонение ω0, мкм
*результаты измерения от первого оптического пятна вычисляется до завершения полного цикла опроса
экспериментальных данных полученных при измерении ω0.
Максимальное быстродействие достигается при использовании двух
оптических пятен, при этом результат измерения от первого оптического пятна
получен до окончания опроса ЛФП, подобное достигается благодаря алгоритму и
программе, описанных в главе 3. Повышение точности измерений достигается как за
счет усреднения результатов измерений, так и за счет использования двух оптических
пятен. Приведенная погрешность измерения положения геометрического центра при
частоте измерений 50 Гц составляет не более 0,008% к максимальному прогибу УЧЭ.
Результаты эксперимента с использованием УЧЭ радиусом 25 мм, толщиной
0,22 мм, глубиной гофры 0,75 мм, радиусом жесткого центра 5 мм, пильчатого
профиля с 3 гофрами из бериллиевой бронзы БрБ2 с использованием двух
оптических пятен и четырехкратным усреднением выборок, по определению
точности измерения давления P и эквивалентной высоты H, представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты измерения давления и эквивалентной высоты.
ПараметрЗначение
Значение H, м-5000500100030006000120001500020000
Для высоты H

Абсолютная
0,970,981,001,011,081,222,113,277,38
погрешность ±∆H, м

Среднеквадратическое
0,3790,3670,370,3660,3970,4490,7891,1562,59
отклонение SH, м
107438

101325

95496

89941

70269

47404

19481

11713

4411

Значение P, Па
Для давления P

Абсолютная
погрешность13,1412,4911,9811,6410,027,996,4866,286,32
±∆P, Па
Среднеквадратическое
5,084,824,374,143,652,902,3552,262,52
отклонение SP, Па
Прогиб мембраны ω0,
1,2601,2151,1651,1150,920,660,2680,150,05
мм
Сравнительная оценка результатов экспериментальных данных с
метрологическими характеристиками датчиков давлений типа ДДГ входящих в
состав серийно выпускаемы СВС (СВС-2Ц-У2, СВС-96):
– уменьшение на 19 % интервала передачи информации, до 0,25 с. против 0,31 с,
– снижение питающего напряжения на 78 %, до 3,3 В против 15 В,
– снижение потребляемой мощности на 72 %, до 280,708 мВт против 1000 мВт,
– уменьшение погрешности измерения на 59 %, до 13,14 Па против 32 Па,
– уменьшение времени готовности на 96%, до 1 с. против 30 с,
– снижение массы датчика на 46,75%, до 213 гр. против 400 гр.
Пятая глава посвящена разработке и совершенствованию датчиков
статического и полного давлений на базе УЧЭ и ЛФП в направлении получения
оптимального сочетания метрологических, конструктивных, технологических
характеристик с максимальной устойчивостью к воздействию возмущающих
факторов.
Первая конструкция датчика аэрометрических давлений использующего
оптоэлектронные преобразователи информации приведена на рис. 8.
Датчик содержит корпус 1 с двумя
отверстиями,соответственнодля
измерения статического (P) и полного
(Р*) давлений, причем отверстия
расположены выше и ниже зазора,
образованного мембранами 2 и 3.
Мембраны2и3анероидного
Рис. 8. Датчик давления,чувствительного элемента разнесены по
использующий оптический методвысоте, образуя зазор, из которого
преобразования информации:1 – корпус выкачан воздух, и герметично по
с двумя отверстиями, 2 и 3 – мембраны, периметру прикреплены к корпусу.
4 – стойка, 5 – источник излучения, Внутри безвоздушного зазора к стойке 4
6 – ЛФП, 7 – шторка, 8 – прорези.прикреплен источник излучения 5 и две
шторки 7 с прорезями 8. Две ЛФП 6
крепятся соответственно к верхней и
нижней мембранам 2 и 3, причем
указанныеЛФПобращенык
соответствующим прорезям шторок 7.
Высокая чувствительность ЛФП
требует минимальной деформации УЧЭ,
что позволит избавиться от целого ряда
Рис. 9. Датчик давлений: 1 – корпус с погрешностей: остаточной деформации,
двумя отверстиями, 2 и 3 – мембраны нелинейности, упругих несовершенств
второй ступени, 4, 5 мембраны первой материала, температурных колебаний, от
ступени, 6 – кольцевые упоры,воздействия линейных ускорений, от
7 – стойка, 8 – источник излучения, воздействия вибраций, от изменения
9 –шторка, 10 – прорезь, 11 – ЛФП.свойств материала с течением времени и
т.п. Бесконтактный съем информации и работа информационной системы в
условиях вакуума значительно повысят эффективность процессов измерения.
Отметим также значительное уменьшение энергопотребления.
Вторая конструкция датчика аэрометрических давлений (рис. 9)
отличается наличием отверстий в геометрических центрах верхней и нижней
основных мембран, которые с внешних сторон мембран по отношению к зазору
перекрыты дополнительными верхней и нижней мембранами.
Предлагаемый датчик, обладая всеми достоинствами прототипа,
позволяет значительно повысить точность измерения нелинейно
изменяющегосядавления(статическогоиполного),атакже
чувствительность датчиков давления на первоначальном этапе измерения.
Третьяконструкциядатчика
аэрометрическихдавленийотличается
установкой в геометрических центрах
верхней и нижней мембран ферромагнитных
элементов, а на внутренней поверхности
корпуса соосно и с зазором по отношению к
введеннымферромагнитнымэлементам
Рис. 10. Датчик давлений:установкой постоянных магнитов (рис. 10).
1 – корпус с двумя отверстиями,Введение в конструкцию корпуса датчика
2 и 3 – мембраны, 4 и 5аэрометрических давлений постоянных
ферромагниты, 6 и 7 – магниты,магнитов,взаимодействующихс
8 – стойка, 9 – источник излучения,
ферромагнитными элементами, позволит
10 – шторка, 11 – прорезь,
12 – ЛФП.линеаризовать зависимость деформаций
мембран от воспринимаемых давлений. В
результате происходит повышение чувствительности и точности измерения
давления и по высоте, и по скорости полета воздушного судна, а также
расширяются функциональные возможности
УЧЭ.
Четвертая конструкция (рис. 11) датчика
аэрометрическихдавленийотличается
введением устройства для формирования
оптическихлучейиустановкойв
геометрических центрах верхней и нижней
мембранкриволинейныхотражателей
оптических излучений.
Предлагаемый датчик работоспособен при
Рис. 11. Датчик давлений:
существенно меньших, чем у прототипов,
1 – корпус с двумя отверстиями,
значенияхдеформацииУЧЭвследствие2 и 3 – мембраны, 4, 5 – ЛФП,
применения криволинейного отражателя света.6 – устройство для
Это позволит избавиться от целого рядаформирования оптических
погрешностей УЧЭ: остаточной деформации,лучей,
нелинейности, упругих несовершенств материала,7, 8 – отражатели оптических
температурных колебаний, от воздействияизлучений.
линейных ускорений, от воздействия вибраций, от
изменения свойств материала с течением времени и т.п.
Пятая конструкция датчика аэрометрических давлений предусматривает
ветвление исходной информации за счет использования n оптических пятен (рис.
12), обладающий следующими достоинствами:
1) применение шторок с n
щелямипозволяет
сформировать на ЛФП n
световыхпятен,
перемещающихся
пропорционально изменению
измеряемогодавления.
Благодаря этому за один период
опроса оптической линейки
удаетсяполучитьn
Рис. 12. Датчик давления:независимыхзначений
1 – корпус с двумя отверстиями, 2 и 3 – мембраны,измеряемогодавленияи,
4 – стойка, 5 и 6 – ЛФП, 7 и 8 – шторки с прорезями усреднив результат, повысить
(щелями), 9 и 10 – источники излучения, 11 и 12точность измерения;
аналогово-цифровой преобразователь,2) отсутствие на шторках
13 – микроконтроллер.дополнительныхэлементов
(излучателей и ЛФП), улучшает
динамические свойства датчика;
3) внешние механические воздействия на датчик могут привести к
смещениям ЛФП относительно шторок.
В связи с тем, что ЛФП крепятся на общей стойке, подобные смещения
будут приводить к синфазным изменениям в измеренных значениях
статического и полного давления. Синхронный режим работы ЛФП
позволяет обнаружить подобные синфазные составляющие в выходных
сигналах и программно минимизировать их влияние на точность измерения
давлений.
Комплексное использование конструктивных и схемотехнических
решений, определение параметров УЧЭ с учетом технических характеристик
вторичного преобразователя, ветвление исходной информации, а также новые
алгоритмы ее преобразования, позволили разработать измерительные
преобразователи с цифровым выходным сигналом и с уменьшенной
погрешностью в широком диапазоне температур, способные измерять как
статическое, так и полное давления.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В результате решения поставленных задач диссертационного
исследования достигнута цель работы. В ходе исследований:
1. Разработан высокоточный датчик статического и полного давлений,
использующий оптоэлектронные преобразователи информации на основе ЛФП
в качестве вторичных преобразователей, что позволило минимизировать
амплитуду деформаций УЧЭ, а бесконтактный способ съема информации и
работа информационной системы в условиях вакуума позволили повысить
стабильность процедур измерения давлений.
2. Разработана методика расчета УЧЭ, принципиальным отличием которой
является учет технических характеристик вторичного преобразователя, в
частности, порога чувствительности вторичного преобразователя и прогиба
центра мембраны в функции координаты пикселя ЛФП. Кроме того, разработан
алгоритм и программа на языке программирования C/C++, реализующие
алгоритм расчета УЧЭ.
3. Для измерения значений деформаций УЧЭ (мембран) датчика давлений
была разработана программа управления микроконтроллерами семейства
STM32F4. Использование данной программы позволило существенно повысить
точность вычислений деформации мембран датчика давлений, использующих
оптоэлектронные преобразователи, за счет того, что при опросе одного пикселя
ЛФП аналого-цифровой преобразователь совершает двойное преобразование.
4.Сравнительные результаты определения значений прогибов центров
мембран, полученных аналитическим методом, с использованием программного
комплекса ANSYS, и полученных в результате проведенных экспериментов
показали, что максимальная погрешность не превышает 15%, что следует
признать удовлетворительным. Сравнительная погрешность результатов
силового расчета с использованием программного комплекса ANSYS и
известными экспериментальными данными не превысила 9 %.
5. Разработана методика вычисления положения жесткого центра упругой
мембраны, использующая процесс ветвления исходной информации путем
применения шторок с n щелями, что позволяет сформировать на ЛФП n
оптических пятен, перемещающихся в функции измеряемого давления.
Благодаря этому, за один период опроса линейки удается получить n
независимых значений измеряемого давления и, усреднив результат, повысить
точность измерения, а также свести к минимуму влияние внешних
возмущающих факторов, в частности, вибраций.
6. Разработан аппаратно-программный комплекс, включающий алгоритмы
управления и обработки данными и экспериментальную конструкцию датчика
давлений, использующего оптоэлектронные преобразователи информации на
базе ЛФП типа ILX554B. Предложены алгоритмы и разработаны программы
управления микроконтроллером, которые обеспечивают, при измерении
линейных перемещений жесткого центра мембран, обработку сигналов с выхода
ЛФП при воздействии на него одного и двух оптических пятен.
7. Определены метрологические характеристики датчиков давлений,
причем в качестве критериального параметра для оценки точностных
характеристик разработанных датчиков давлений использована точность
измерения положения геометрического центра УЧЭ. Установлено, что
повышение точности измерений достигается как за счет усреднения результатов
измерений, так и за счет использования двух оптических пятен. Приведенная
погрешность измерения положения геометрического центра при частоте
измерений 50 Гц составляет не более 0,008% по отношению к максимальному
прогибу УЧЭ.
8. Разработана гамма новых датчиков статического и полного давлений с
цифровым выходным сигналом и с уменьшенной погрешностью в широком
диапазоне измеряемых давлений, на базе комплексного использования
конструктивных и схемотехнических решений определения параметров УЧЭ с
учетом технических характеристик вторичного преобразователя, ветвления
исходной информации, а также новых алгоритмов ее преобразования.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИСЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ:
1. Борисов, Р.А. Методология разработки датчика статического и полного
давлений на базе упругих чувствительных элементов и оптических линеек / Р. А.
Борисов, И. В. Антонец, А. В. Кротов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.
Приборостроение. – 2021. – № 1 (134). – С. 33-50.
2. Борисов, Р. А. Система измерения статического и полного давлений,
использующая ветвление исходной информации на входе вторичного
преобразователя / Р. А. Борисов, И. В. Антонец, А. А. Черторийский, А. В.
Кротов // Изв. вузов. Приборостроение. – 2020. – Т. 63, – № 9. – С. 813-822.
3. Антонец, И.В. Датчик статического и полного давления на основе
линейки фотоэлектронных приемников / И. В. Антонец, Р. А. Борисов // Изв.
вузов. Приборостроение. – 2020. – Т. 63, – № 3. – С. 222-227.
4. Антонец,И.В.Разработкавесоизмерительныхустройств,
определяющих остаточную деформацию упругого чувствительного элемента/
И.В. Антонец В.А. Борсоев, Р.А. Борисов, С.М. Степанов // Научный вестник
МГТУ ГА. ‒ 2018. –T. 21, –№ 01. – С. 11-21.
5. Антонец, И.В. Разработка конструкций динамометрических датчиков,
использующих силовую компенсацию деформации упругого чувствительного
элемента от внешних нагрузок/ И.В. Антонец В.А. Борсоев, В.В. Борсоева, Р.А.
Борисов // Научный вестник МГТУ ГА. ‒ 2018. –T. 21, № 06. – С. 92-104.
6. Антонец, И.В. Методика аналитического расчета и обобщенный
алгоритм определения величин деформации и чувствительности кольцевых
упругих чувствительных элементов переменного сечения / И.В. Антонец В.А.
Борсоев, В.В. Борсоева, Р.А. Борисов // Научный вестник ГосНИИ ГА. – 2019. –
№ 26. – С. 126-137.
Патенты и авторские свидетельства:
7. Пат. 2653596 Российская Федерация, МПК G01L 7/00 (2006.01). Датчик
аэрометрических давлений / Антонец И.В., Горшков Г.М., Борисов Р.А.;
патентообладатель Ульяновский гос. тех. ун-т. (RU) – № 2017111362, заявл.
04.04.2017, опубл. 11.05.2018, Бюл. №14.
8. Пат. 2684683 Российская федерация, МПК G01L 7/08 (2006.01), G01L
11/02 (2006.01). Датчик аэрометрических давлений / Антонец И.В., Борисов Р.А.,
Горшков Г.М., Черторийский А. А.; патентообладатель Ульяновский гос. тех. ун-
т. (RU). – № 2017139645, заявл. 14.11.2017, опубл. 11.04.2019, Бюл. №11.
9. Пат. 2712777 Российская Федерация, МПК G01L 7/02 (2006.01), G01L
11/02 (2006.01). Датчик аэрометрических давлений/ Антонец И.В., Борисов Р.А.,
Черторийский А. А.; патентообладатель ФГБУ науки Институт радиотехники и
электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (RU). – №
2019114581, заявл. 13.05.2019, опубл. 31.01.2020, бюл. № 4.
10. Пат. 2702808 Российская Федерация, МПК G01L 7/08 (2006.01), G01L
11/02 (2006.01) Датчик аэрометрических давлений/ Антонец И.В., Борисов Р.А.,
Горшков Г.М.; патентообладатель Ульяновский гос. тех. ун-т. (RU) – №
2018131388, заявл. 30.08.2018, опубл. 11.09.2019, Бил. № 29.
11. Пат. 2736736 Российская Федерация, G01L 11/02 (2006.01) Датчик
аэрометрических давлений/ Антонец И.В., Борисов Р.А., Горшков Г.М.,
Шайхутдинов Б.Р. ; патентообладатель Ульяновский гос. тех. ун-т. (RU) – №
2019129417, заявл. 17.09.2019, опубл. 19.11.2020, бюл. № 32.
12. Свид. № 2019612079 Российская Федерация. Свидетельств об
официальной регистрации программы для ЭВМ. Программа управления
микроконтроллерами семейства STM32F4, обеспечивающая измерение
линейных перемещений чувствительных элементов датчиков, использующих
оптические преобразователи / Борисов Р.А., Антонец И.В.; заявитель и
патентообладатель Борисов Р.А. – № 2018660953; заявл. 03.10.2019; опубл.
11.02.2019.
13. Свид. № 2019663045 Российская Федерация. Свидетельств об
официальной регистрации программы для ЭВМ. Программа для расчета упругих
чувствительных элементов датчиков аэрометрических давлений / Борисов Р.А.,
Антонец И.В.; заявители и патентообладатели Борисов Р.А., Антонец И.В. – №
2019619234; заявл. 18.07.2019; опубл. 09.10.2019.
14. Свид. № 2021611914 Российская Федерация. Свидетельств об
официальной регистрации программы для ЭВМ. Программа управления
микроконтроллерами семейства STM32F4, обеспечивающая измерение
линейных перемещений чувствительных элементов датчиков, использующих
линейки фотоэлектронных приемников/ Борисов Р.А., Антонец И.В.; заявитель
и патентообладатель Борисов Р.А. – № 2021611007; заявл. 19.01.2021;
опубл. 08.02.2021.
Основные публикации в других изданиях:
15. Борисов, Р.А. Исследование закономерности изменения давления, при
проектировании упругих чувствительных элементов, для датчиков статического
давления аэрометрических устройств / Р.А. Борисов // Сборник научных трудов
издан по итогам XXXII-ой Международной научной конференции «Потенциал
современной науки» (Российская Федерация, г. Липецк, 18 сентября 2017г.) –
2017. –С 42-48.
16. Борисов, Р.А. Метод определения величины прогиба упругого
чувствительного элемента, измеряющего статическое давление / Р.А. Борисов,
И.В. Антонец // История, современность, перспективы развития: сборник
материалов II международной заочной научно-практической конференции
БГАА. г. (Минск, 9–10 ноября 2017 г.) – 2017. –С. 120-122.
17. Антонец, И.В. Разработка и исследование датчика аэрометрических
давлений на основе упругой мембраны и фотоприемной линейки/ И.В. Антонец,
Р.А. Борисов // История, современность, перспективы развития: сборник
материалов II международной заочной научно-практической конференции
БГАА. г. (Минск, 9–10 ноября 2017 г.) – 2017. –С. 118-119.
18. Борисов, Р.А. Актуализация методики статического расчета упругих
чувствительных элементов аэрометрических устройств / Р.А. Борисов //
«Проблемы и современные направления развития образования в области
аэронавигации» Всероссийская педагогическая научная конференция – Сызрань:
ВУНЦ ВВС «ВВА» – 2017. –С. 12-14.
19. Борисов, Р.А. Гистерезис упругих чувствительных элементов
аэрометрических устройств / Борисов Р.А. // Актуальные проблемы и
перспективные направления развития комплексов авиационного оборудования:
сб. науч. ст. по материалам V международной науч.-практ. конф.
«Академические Жуковские чтения» 22-23 ноября 2017 г. ‒ Воронеж: ВУНЦ
ВВС «ВВА» – 2018. ‒ С. 14-16.
20. Антонец, И.В. Определение характеристики упругого чувствительного
элемента для аэрометрического датчика полного давления / И.В. Антонец, Р.А.
Борисов // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники
и общества: сб. тезисов докладов. – М.: ИД Академии Жуковского – 2018. – С.
215.
21. Борисов, Р.А. Датчик аэрометрических давлений, использующий
оптический метод преобразования информации / Р.А. Борисов, И.В. Антонец //
Современноесостояние,иперспективыразвитияавиационного
радиоэлектронного оборудования: сб. науч. ст. по материалам VI
международной науч.-практ. конф. «Академические Жуковские чтения» 14-15
ноября 2018 г. ‒ Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2019. ‒ С. 50-52.
22. Борисов, Р.А. Алгоритм управления микроконтроллером Stm32f4,
обеспечивающий измерение деформации чувствительных элементов
аэрометрическихдатчиковдавлений,использующихоптические
преобразователи / Р.А. Борисов, И.В. Антонец // Актуальные проблемы и
перспективы развития авиации: сб. матер. III междунар. науч.-практ. конф. 22-23
мая 2019 г. – Минск : БГАА, 2019.– С. 123-125.
23. Борисов, Р.А. Аэрометрические датчики давления, использующие
оптические вторичные преобразователи / Р.А. Борисов, И.В. Антонец // Авиация:
история, современность, перспективы развития : сб. матер. IV междунар. науч.-
практ. конф. 24 октября 2019 г. – Минск : БГАА, 2019.– С. 43-44.
24. Борисов, Р.А. Разработка и исследование новых методов и алгоритмов
преобразования информации датчика статического и полного давлений на базе
линеек фотоэлектронных элементов. /Р.А. Борисов, И.В. Антонец, А.В. Кротов,
Э.Ю. Алексеев //22-я Международная конференция «Цифровая обработка
сигналов и ее применение DSPA-2020», Москва. – 2020. – С. 508-513.
25. Антонец, И.В. Оптоэлектронные датчики статического и полного
давлений на базе упругих элементов и ПЗС-линеек / И.В. Антонец, Р.А. Борисов,
А.А. Черторийский, Л.А. Нигматуллина, Н.В. Каштанов // Актуальные проблемы
физической и функциональной электроники : мат. 24-й Всероссийской молодеж.
науч. конф. (г. Ульяновск, 26-28 октября 2021 г.), – Ульяновск : УлГТУ, 2021. –
С. 215-217.
Борисов Руслан Андреевич

Датчики давлений на основе
оптоэлектронных преобразователей для систем управления
высотно-скоростными параметрами воздушного судна

Автореферат

Подписано в печать ___.___.2022. Формат 60х84/16.
Усл. печ. л. 1,17.
Тираж 130 экз. Заказ _____