Ha npaeaxpyKonucu

UJIbflCOB l4"rrrnypPycrauoBl{rl

rrH@OPMAIII{OHHO-IT3MEPI{TEJIbHA-'I CTICTEMA

C AKYCTOOTITAqECKITM IPEOEPA3OBATEJIEM

BOAHOfrCrn4rt

xrrflAHAJIlI3A I4 KOHTPOn.fl

Cnequa;rbHocrb:

05.1 1.16 - I4HQopMaIIlroHHo-Ir3MepI{TeJIbH u yrpaBJrqrouue

bIe ulrrrJreHHocrlrIr rue4uI1uue) cllcreMbl (n n pona

ABTOPE(DEPAT

Arrcceprarllrl{ Ha colrcKaHueyueHoft crerleHrl HayK TeXHTIqeCKTIX KaHAIIAaTa Y$a - 2013 Pa6ora BbIrIonHeHaB @fEOy BIIO 0.5D 0, z > 0.5L где L и D – длина и диаметр области взаимодействия световой и звуковой волны; – частота акустической волны; K 0 – волновое число акустической волны.

При этом, в результате дифракции световой волны e1 при взаимодействии с акустической волной e2 образуется дифрагированная волна e (6) e = r ( x) E A(, ) exp(k cos + k z sin t ) 0 3 3 1 1 1, exp( j (t K o ( x + 0.5 D )) ) где A(, 1 ) – комплексный коэффициент передачи акустооптического взаимодействия.

Таким образом, мощность излучения, падающего на фотоприемник, равна Р ( z ) = 0 с [r ( x ) E3 A(, 1 ) exp(k1 cos1 + k1 z sin1 1 t ) (7).

N exp( j ( t k o ( x + 0.5 D )) )]2 exp z V Напряжение на выходе фотоприемника определяется следующим выражением U N = S i P RN, (8) p где S i p – статическая интегральная токовая чувствительность;

RN – сопротивление обратной связи.

Напряжение на выходе фотодиодной линейки многоэлементного фотоприемника Uout в общем виде равно N U i i U out = i = (9).

N i i = С учетом формул (7), (8) выражение (9) примет вид (10) [ N S i p R N 0 с r ( x) E 3 A(, 1 ) exp(k1 cos1 + k1 z sin 1 1 t ) i i = U out = N i i = N фотоприемник.

Из формулы (10) получим выражение для коэффициента поглощения исследуемой водной среды веществ - загрязнителей находится по закону Бугера-Ламберта-Бера где E0 – амплитуда падающей световой волны; E1 – амплитуда прошедшей через кювету световой волны; коэффициент поглощения исследуемой водной среды; l – толщина кюветы.

Таким образом, полученные выражения (11) и (12) являются математической моделью ИИС АКВС с АОП. Полученные выражения были промоделированы с использованием программного продукта «Matlab»

для получения графической зависимости (рисунок 5).

Рисунок 5 – Зависимость выходного напряжения многоэлементного фотоприемника от длины волны максимума поглощения и вычисляемого молярного коэффициента светопоглощения В третьей главе рассмотрены и исследованы основные характеристики ИИС АКВС с АОП. Статическая характеристика является одной из основных метрологических характеристик преобразователя и представляет собой зависимость сигнала на выходе в статическом режиме от поступившего входного сигнала.

Рабочая статическая характеристика ИИС АКВС с АОП в общем случае при наличии одного исследуемого и одного неисследуемого веществ имеет вид где P (m), P (mн ) – функции спектрального поглощения исследуемого и неисследуемого веществ; J и Jн – факторы спектральной настройки для указанных веществ; R – обобщенный параметр АОП; – шум измерительного канала.

Динамические характеристики описывают ИИС АКВС как инерционную систему, с помощью которых можно рассчитать временную зависимость выходной величины от изменения входной величины и получить оценку погрешностей, обусловленных инерционностью всей ИИС.

Сигнал на выходе измерительного канала в целом может быть представлен с помощью функции (U out k ) в виде Динамическая погрешность равна Таким образом, на основании формулы (15) по конкретным значениям временного ряда, полученного в результате измерений, можно вычислить оценку погрешности в каждый момент времени и nТ. Быстродействие ИИС АКВС с АОП ограничивается временем прохождения звуковой волны через сечение светового пучка, в кристалле диоксида теллура скорость звуковой волны равна 5,5 км/сек, и при диаметре светового луча 3 мм быстродействие равно 0,54·10-6 сек.

Были проанализированы источники погрешностей ИИС АКВС с АОП, разработана их классификация. Описана природа возникновения этих погрешностей, дана их аналитическая характеристика и рекомендации по уменьшению. Таким образом, расчетная результирующая погрешность измерительного канала ИИС АКВС с АОП равна 0,45%, что является допустимым значением.

В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований опытного образца ИИС АКВС с АОП с целью подтверждения теоретических положений, проведена обработка результатов с помощью разработанного автором программного обеспечения, разработана методика проектирования и описаны основные этапы создания АОП в составе ИИС АКВС. При экспериментальных исследованиях проведен ряд прямых измерений с многократными наблюдениями с последующей обработкой полученных результатов. Для выполнения эксперимента в автоматическом режиме, анализа и обработки полученных данных была создана программа для ЭВМ с адаптивным алгоритмом функционирования ИИС АКВС с АОП.

Проверка математической модели по критерию Фишера подтвердила ее адекватность.

На рисунке 6 приведены экспериментальная 1 и теоретическая зависимости выходного напряжения многоэлементного фотоприемника (МЭФ) Рисунок 6 – Теоретические и экспериментальные выходные характеристики многоэлементного фотоприемника Таким образом, достоверность разработанных теоретических положений подтверждается экспериментальными исследованиями. Основная приведенная погрешность равна 4%, максимальное расхождение экспериментальных и расчетных результатов составило 14 % в диапазоне от 200 до 950 нм.

На рисунке 7 представлена графическая зависимость приведенной погрешности, % от входной величины макс и среднего арифметического значения напряжения на выходе МЭФ U out.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили достоверность теоретических расчетов, положений, адекватность и технические характеристики разработанной ИИС АКВС с АОП, возможность ее реализации и применения для решения практических прикладных задач анализа и контроля водной среды.

Рисунок 7 – Зависимость приведенной погрешности от входной величины и среднего арифметического значения напряжения на выходе многоэлементного фотоприемника Автором разработана универсальная методика, позволяющая осуществлять проектирование акустооптических преобразователей различных схем построения для ИИС АКВС.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

В приложении приведены копии патентов на разработанные автором устройства, акты внедрения результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен сравнительный анализ существующих методов и технических средств анализа водной среды. Научно обоснована перспективность создания акустооптических преобразователей анализа и контроля водной среды, обладающих улучшенными техническими, функциональными и эксплуатационными характеристиками и позволяющих значительно улучшить качество ИИС посредством их применения. Разработаны и систематизированы технические решения построения ИИС АКВС с АОП, позволяющие создавать на этапе проектирования информационноизмерительные системы с улучшенными характеристики за счет выбора более рациональной конструкции. На основе разработанных технических решений созданы два новых устройства АКВС (патенты РФ на ПМ № и №101194).

2. Разработана математическая модель ИИС АКВС с АОП, устанавливающая зависимость напряжения на выходе многоэлементного фотоприемника от качественной и количественной составляющих исследуемой водной среды и структурных элементов ИИС. Проверена и подтверждена адекватность полученной математической модели по критерию Фишера.

3. Исследованы основные характеристики ИИС АКВС с АОП. Получены аналитические зависимости статических характеристик, представляющие собой зависимость выходного напряжения от характеристик элементов ИИС АКВС, чувствительности и характеристик исследуемой водной среды. Получены динамические зависимости, с помощью которых можно рассчитать временную зависимость выходной величины от изменения входной величины и получить оценку погрешностей, обусловленных инерционностью всей ИИС.

Быстродействие ИИС АКВС с АОП ограничивается временем прохождения звуковой волны через сечение светового пучка и равно 0,54·10-6 сек.

Установлено, что основным источником погрешностей являются систематические и методические погрешности. Выявлена природа возникновения погрешностей, разработана их классификация, дана аналитическая характеристика и рекомендации по их уменьшению. Рассчитана полная погрешность ИИС АКВС с АОП равная 0,45%, что является допустимым значением.

4. Проведены экспериментальные исследования опытного образца ИИС АКВС с АОП, в результате которых установлено, что основная приведенная экспериментальными и расчетными данными в диапазоне от 200 до 950 нм составило 14 %. Таким образом, экспериментальные исследования подтвердили теоретические положения, расчеты, адекватность и технические характеристики разработанной ИИС АКВС с АОП, возможность ее реализации и применения для решения практических задач.

Разработан новый адаптивный алгоритм функционирования ИИС АКВС с АОП, позволяющий повысить точность и расширить функциональные возможности ИИС, автоматизировать процесс исследования и обработки полученных результатов. Создано программное обеспечение на основе данного алгоритма (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615310).

Разработана универсальная методика, позволяющая проектировать акустооптические преобразователи различных схем построения и создавать ИИС АКВС с АОП, обладающие всеми необходимыми характеристиками для решения производственных и экологических проблем водной среды.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В центральных рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК 1. Ильясов, И. Р. Основные этапы становления и развития акустооптики в ХХ веке / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, Р. Г. Фаррахов, М. А. Ураксеев // История науки и техники. – 2010. – №3, (спец. выпуск №1). – С. 34 – 37.

2. Ильясов, И. Р. Становление и развитие акустооптических методов и средств информационно-измерительных систем экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // История науки и техники. – 2010. – №6 (спец. выпуск №2). – С. 132 – 136.

3. Ильясов, И. Р. Современные методы и аппаратные средства для систем экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // Экологические системы и приборы. – 2010. – №5. – С. 20–23.

4. Ильясов, И. Р. Система мониторинга водной среды на основе акустооптического спектрометра / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2010. – №7. – С. 46 – 48.

5. Ильясов, И. Р. Классификация и сравнительный анализ существующих спектрометров для информационно-измерительных систем экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов // Прикаспийский журнал:

управление и высокие технологии. – 2010. – №4 (12). – С. 16 – 23.

6. Ильясов, И. Р. Принципы построения акустооптических спектрометров для информационно-измерительных систем анализа водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // Датчики и системы. – 2011.

– № 9. – С. 25 – 29.

7. Ильясов, И. Р. Математическая модель акустооптического преобразователя для информационно-измерительной системы анализа водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // Датчики и системы.

– 2012 – №12. – С. 28 – 30.

8. Ильясов, И.Р. Акустооптические измерительные преобразователи для информационно-измерительных систем анализа водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев, М. А. Ураксеев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2013 – №2. – С. 50 – 54.

Патенты РФ и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ 9. Патент РФ №101213 на ПМ. Акустооптический спектрометр для экологического мониторинга водной среды / Ильясов И. Р., Мухамадиев А. А., Ураксеев М. А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». – Заявка №2010127992/28 от 06.07.2010г.

10. Патент РФ №101194 на ПМ. Акустооптический водоанализатор / Ильясов И. Р., Мухамадиев А. А., Ураксеев М. А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». – Заявка №2010128152/28 от 07.07.2010г.

11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615310 «Управление, анализ и обработка результатов измерения акустооптическим преобразователем» / Ильясов И. Р., Мухамадиев А. А., Ураксеев М. А.; заявители и правообладатели Ильясов И. Р., Мухамадиев А. А., Ураксеев М. А. заявка № 2012611806 от 12.03.2012г.

12. Ильясов, И. Р. Акустооптические устройства и их применение / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Инновации и наукоемкие технологии в обеспечении промышленной, пожарной и экологической безопасности: Сб. ст.

научно-практ. конф.– Уфа: УГНТУ, 2009. – 216 с.

13. Ильясов, И. Р. Современные акустооптические датчики / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Инновационный потенциал молодежной науки: Сб. ст. научно-практ. конф. – Уфа: БГПУ, 2009. – 250 с.

14. Ильясов, И. Р. Акустооптика и устройства анализа окружающей сред / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Научное и экологическое обеспечение современных технологий: Материалы VI Республиканской научнопрактической конференции. – Уфа: УГАЭС, 2009. – 157 с.

и экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Инновации и перспективы сервиса: Сб. науч. ст. VI Международной научнотехнической конференции. – Уфа: УГАЭС, 2009 г. – 388с.

16. Ильясов, И. Р. Использование акустооптического спектрометра для определения концентрации этилового спирта в водных растворах / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Инновации и перспективы сервиса:

Сб. науч. ст. VI Международной научно-технической конференции. – Уфа:

УГАЭС, 2009 г. – 388с.

17. Ильясов, И. Р. Акустооптические устройства для обработки информации в бортовых встраиваемых системах / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации»: Сб. науч. тр. Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. – Ульяновск: УГТУ, 2009. – 214 с.

18. Ильясов, И. Р. Акустооптические преобразователи в информационноизмерительных системах / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Электронные устройства и системы: межвуз. науч. сб. – Уфа: УГАТУ, 2010. – 323 с.

19. Ильясов, И. Р. Акустооптический водоанализатор: понятие и перспективы применения в информационно-измерительных системах экологического мониторинга водной среды / И. Р. Ильясов, А. А. Мухамадиев // Инновации и перспективы сервиса: Сб. науч. ст. VII Международной научнотехнической конференции. – Уфа: УГАЭС, 2010. – 289с.

20. VInsxcon, VI. P.,{nofiuofi aKycroonrn.recrzfi MoHoxpoMarop KAK KnroqeBofi gJreMeHT aKycToorTtrrrecKoro crreKTpoMeTpa Anfl uHoopM HOI{3MepLITeJIbHbIXct4creM gKoJrorirqecKoro MoHr4Topr{Hra BoAHofi cpe,q I 14. P. kltrsxcoa, A. A. Myxaua4uen, M. A. Vparcceenll Muponoe BO:

npo6neuu 14nyrtrperxeHus: Hay.r.

2l.Vlttsscon, IrI. P. Arycroorrrr{rrecrufi cnerrpoMerp KaKKrroqeeofiere ran$opvralll4onHo-u3Mepl{renruofi cucreMbraHuru3ano4nofi cpeAbr 14.P. VIn A. A. Myxarr,ra4uenll Irlunonaquu vr nepcneKTr{Bbr cepBr{ca: C6. Hay.r CT VIII MexgynapoAnofi Ha)^rHo-rexnn.recrofi xonsepenquu. C, 2011.

22. Id;i'l',rrcon,VI. P. Arycroonrnqecrufi cneKrpoMerpNuecrcufi KC Infl cr{cTeMsKoronrqecKofo MoHHTopr.rHra no4Hofi cpeAbr I 14. P. 13 ll Hayrnrre ropLI3oHTbIgKoHoMvIKvr cepBr.rca:C6. rr,rarcp.V orKpbrroro KoH Ha n1^rruyrc Ha1^rHyropa6ory cryAeHroB u acrrrpaHroB rro ecrecrBeH bIM, '{zccepranr