На правах рукописи

Рыбин Михаил Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ

ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВНЫХ

ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

Специальность 05.02.22

Организация производства (в области радиоэлектроники)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена на кафедре «Радиопередающие устройства» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент, Легкий Николай Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Шульгин Евгений Иванович кандидат технических наук Главный научный консультант ЗАО РНТ Родионов Дмитрий Евгеньевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научноисследовательский институт «КВАНТ»» (ФГУП «НИИ «КВАНТ»)

Защита состоится « » 2012 года в часов на заседании диссертационного совета Д212.131.04 при Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики.

С содержанием диссертации можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики Автореферат разослан «_»2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент С.Н. Замуруев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важной составной частью систем управления качеством сложных изделий являются информационные и информационно-измерительные системы технологического уровня, интегрированных в единое информационное пространство.

Автоматизированные территориально распределенные системы мониторинга интеллектуального типа повышенной надежности с датчиками нового типа способны обеспечивать выявление нарушений, опознавание и классификацию критических ситуаций, формирование объективной и достоверной информации о текущем состоянии локальных объектов и контроля их параметров.

При построении таких систем особое внимание уделяется созданию эффективных типов датчиков мониторинга, работающих на новых технологических принципах. Одним из направлений решения этих задач является использование радиотехнических систем и устройств, которые все чаще используются для контроля различных технологических параметров, как в процессе производства, так и в условиях эксплуатации. Радиотехнические системы обеспечивают возможность дистанционного обнаружения как самих объектов, так контроля и измерения их параметров. Радиотехнические системы контроля могут работать в непрозрачных и экологически опасных средах, имеют высокую скорость получения информации, хорошо согласуются с цифровыми обрабатывающими и управляющими системами. Автоматически полученная информация с датчиков позволяет исключить влияния «человеческого фактора» для задач принятия технически обоснованных решений в режиме реального времени.

К системам контроля параметров и диагностики, с одной стороны предъявляются жесткие требования к точности измеряемых параметров, с другой стороны предъявляются не менее жесткие требования к простоте технических решений и стоимости изделия. Достоверность и точность измерительной информации в таких системах в первую очередь зависят от программно-аппаратной реализации датчиков.

Информация, которая генерируется датчиками в таких системах, позволяет получать в режиме реального времени оперативные данные о состоянии объектов и систем в целом и может быть использована в системах CALS.

Таким образом, задача разработки информационных систем, в первую очередь новых типов информационных датчиков, является актуальной.

Целью исследований являются развитие методов радиотехнического дистанционного метода контроля характеристик и параметров на базе технологии пассивной радиочастотной идентификации (RFID) и создание базовых конструктивно-схемотехнического и программноалгоритмического решений радиочастотного датчика для задач автоматизированного контроля состояния объектов и изделий.

Задачами исследований являются:

- анализ радиотехнических методов контроля характеристик изделий;

- исследование метода пассивной радиочастотной идентификации и его совершенствование для передачи изменяющейся информации;

- разработка структурной схемы системы, получение соотношений, определяющих принятый сигнал, разработка способа формирования и выделения информационных параметров сигнала;

- разработка электрической схемы и программного обеспечения радиочастотного датчика;

- разработка методов контроля радиочастотного датчика на этапах производства и эксплуатации.

Объектом диссертационного исследования является пассивная радиочастотная идентификация с возможностью передачи изменяющейся информации.

Предметом исследования является метод и аппаратно-программные средства построения радиотехнической системы измерения параметров.

Методы исследования, используемые в работе: теория систем радиолокации, теория передачи и обработки цифровых сигналов, теория надежности и статистические методы, экспериментальные исследования, компьютерная обработка результатов экспериментов.

Научная новизна Научная новизна работы состоит в решении важной народнохозяйственной проблемы, связанной с разработкой теоретических основ и средств построения систем дистанционного контроля параметров в режиме реального времени и состоит в следующем:

1. Разработан метод мониторинга на базе технологии пассивной радиочастотной идентификации и разработан радиочастотный датчик, позволяющая дистанционно контролировать параметры сложных технических объектов.

2. Разработано и реализовано базовое техническое решение радиочастотного датчика.

3. Разработаны методы оценки характеристик радиочастотного датчика в процессе производства и эксплуатации.

4. Экспериментально исследованы характеристики радиочастотного датчика.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа основных методов и технических средств дистанционного контроля параметров объектов.

2. Метод мониторинга на базе технологии радиочастотной идентификации.

3. Базовое техническое решение радиочастотного датчика.

4. Метод оценки характеристик радиочастотного датчика.

5. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих теоретические выводы.

Практическая значимость. В диссертационной работе решена научно-практическая проблема дистанционного контроля параметров изделий на базе пассивной радиочастотной идентификации, разработаны и внедрены конструкторско-схемотехническое решение и программное обеспечение датчика, а так же метод и программно-аппаратный комплекс для его контроля.

Внедрение в промышленную и эксплуатационную практику полученных в диссертационной работе научных результатов позволили:

разработать базовые схемотехнические и конструктивнотехнологические решения пассивного датчика;

- разработать электрические схемы и программное обеспечение датчиков измерения температуры и дистанционного контроля времени радиоэлектронных приборов.

- разработать и внедрить методику и система контроля метрологических характеристик самих датчиков.

Получены патенты на полезные модели на основные конструкторскотехнологические решения.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждены апробациями и результатами практических реализаций и их испытаний.

Реализация полученных результатов. Все полученные научнопрактические результаты, реализованные при разработке и изготовлении датчиков, нашли практическое применение, в том числе ОАО,,,,,.

Полученные результаты были использованы в научноисследовательской работе «Поисковые исследования путей создания высокоэффективных средств идентификации и контроля состояния техники и вооружения с использованием микроминиатюрных высокостабильных акустоэлектронных импедансных устройств и многофункциональных пьезоэлектрических датчиков нового поколения» (Шифр «Шагистика»), выполненной в МИРЭА в 2006-2009 гг.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных, российских конференциях и научных сессиях:

- Научно-технические конференции МИРЭА в 2009-2011гг.

Конкурсная работа «Дистанционный контроль параметров объектов на основе технологии радиочастотной идентификации» по результатам исследования заняла 2-е место на конкурсе МИРЭА «Лучшая научная работа студентов и молодых ученых» 2011 года.

Публикации. Список из 7 основных работ приведен в конце автореферата, в том числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК, патента на полезную модель.

Личный вклад автора. Научные положения, выводы и рекомендации, которые изложены в диссертации и выносятся на защиту, получены лично автором и обобщенны во время оформления диссертации.

Большая часть публикаций выполнена автором самостоятельно, без соавторов.

В работе [2], выполненной в соавторстве с Легким Н.М. и Дунаевым А.С., автор участвовал в разработке принципов построения, алгоритма, структурной и принципиальной схемы устройства обработки информации.

В работе [4], выполненной в соавторстве с Дунаевым А.С. и Лутовым С.Н., автору принадлежит постановка задачи, формулирования направлений исследований и обобщение полученных результатов.

В работе [6], автору принадлежит постановка задачи и формулирование отличительных признаков полезной модели.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 152 страниц текста, 8 таблиц, 32 иллюстраций. Список использованной литературы содержит 58 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дан обзор состояния вопроса, сформулированы цель и основные задачи исследования, описаны состав и структура работ, показана ее новизна и практическая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ текущего состояния развития систем и методов автоматизированного дистанционного мониторинга, в первую очередь радиотехнических.

На рисунке 1 представлена структура радиотехнических методов измерения параметров объектов.

Радиотехнические методы измерения параметров объектов Измерение:

- местоположение;

меры объекта;

- скорость перемещеС подключени- Измерение:

Рис.1 Радиотехнические методы измерения параметров объектов На рисунке 2 представлена классификация измерительных датчиков, включая средства передачи информации, по источнику напряжения питания.

Рис.2. Классификация измерительных датчиков по источникам питания На основе анализа методов и средств дистанционного контроля был сделан вывод, что для мониторинга объектов может быть использована технология пассивной радиочастотной идентификации.

Под мониторингом объектов будем понимать осуществляемые непрерывно или с заданной периодичностью контроль (наблюдение, измерение и т.д.) и анализ параметров состояния объектов и изделий, а так же влияющих на них факторов с целью подготовки необходимых решений для предупреждения и ликвидации негативных последствий кризисных ситуаций.

Датчики, построенные на принципах технологии пассивной радиочастотной идентификации имеют следующие преимущества:

- нет необходимости во внутреннем источнике питания, что позволяет контролировать объекты, не имеющие собственного источника питания;

- передача информации беспроводным способом по запросу на стояниях до 100 метров, в том числе и движущихся объектов;

- отсутствие в радиочастотном датчике высокочастотных цепей, что значительно упрощает и удешевляет устройство;

- использование стандартных (ISO 10374) радиочастотных считывателей для съема с датчиков информации.

Показано, что для эффективного проектирования, производства и эксплуатации наукоемких изделий необходим непрерывный технологический контроль их параметров.

Автоматизированный контроль в режиме реального времени так же необходим для контроля опасных объектов для предотвращения экологических катастроф.

Выявлено, что наиболее эффективными методами контроля являются дистанционные радиотехнические методы, не влияющие на работу изделия.

Технология радиочастотной идентификации, как наиболее интенсивно развивающаяся технология, является наиболее перспективной для создания систем дистанционного контроля.

Предложенный метод контроля параметров эффективен при мониторинге сложных радиотехнических комплексов (в обесточенном состоянии), объектов атомной энергетики, при автоматизации различных технологических процессов, при информационной поддержке объектов в процессе жизненного цикла (в системах CALS).

Во второй главе рассматриваются теоретические основы построения радиочастотного датчика для систем мониторинга на основе пассивной радиочастотной идентификации.

В работе проведен теоретический анализ работы системы мониторинга на основе пассивной радиочастотной идентификации. На рисунке 3 представлено взаимное расположение радиочастотного датчика и считывающего устройства.

Исходя из рисунка и формулы радиолокации можно определить мощность информационного сигнала от радиочастотного датчика на входе считывающего устройства. :

максимум диаграммы направленности антенны радиочастотного датчика Рис. 3 Взаимное расположение радиочастотного датчика и считывающего устройства в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях В данной формуле учитывается:

- конструктивные особенности антенны считывателя (Gсчит);

- конструктивные особенности антенны идентификатора (Gидент, идент);

- диаграмма направленности антенны считывателя в направлении на объект идентификации (Fсчит (1, 1));

- диаграмма направленности антенны идентификатора в направлении на считыватель (Fидент (2, 2));

- расстояние от считывателя до идентификатора (R);

- дополнительный множитель ослабления сигнала, обусловленный характеристиками радиотрассы (Ln);

- коэффициент модуляции отраженного от антенны сигнала (km);

- поляризационный коэффициент передачи по мощности ().

В третьей главе рассмотрены принципы построения радиочастотного датчика на базе метки пассивной радиочастотной идентификации.

Для анализа структурной схемы радиочастотного датчика рассмотрим измеряемые параметры. Измеряемые параметры: радиоактивный фон, температура, давление, концентрация различных газов, время наработки и др.

По предлагаемому методу можно измерять любые параметры, изменение которых можно свести к изменению напряжения или кода (рисунок 4).

Функциональная схема системы и ее состав показан на рисунке 5.

Рис. 4 Функциональная схема предлагаемого метода Сеть Рис. 5 Функциональная схема системы мониторинга На основе анализа разработана функциональная схема датчика (рисунок 6).

Рис. 6 Функциональная схема радиочастотного датчика В таблице 1 приведены основные элементы радиочастотного датчика и их влияние на основные характеристики датчика.

Характеристика На рисунке 8 показана электрическая схема радиочастотного датчика, на рисунке 9 его практическая реализация.

Импеданс Дальность считывания Рис. 7 Амплитудно-частотная характеристика радиочастотного датчика В ходе работы также было разработано программное обеспечение для радиочастотного датчика. На рисунке 10 показана блок-схема формирования информационного сообщения.

Рис. 10 Блок-схема формирования информационного сообщения Формат передаваемого информационного кадра состоит из трех частей:

- постоянная (не изменяемая в процессе эксплуатации) часть, содержащая синхропосылку, номер объекта, номер датчика и другую информацию, необходимую для идентификации объекта; данная информация содержится ПЗУ и записывается туда на этапе производства.

- переменная часть – информация о параметре с датчика, например, температуры. Записывается с АЦП во вторую часть запоминающего устройства (ЗУ 2).

- контрольная сумма. Формируется и записывается в третью часть запоминающего устройства (ЗУ 3).

Использование встроенных АЦП в датчиках RFID имеет определенные особенности. Это:

- ограниченные программно-аппаратные возможности;

- ограниченное энергопотребление;

Для повышения точности встроенного АЦП используется специально разработанный алгоритм коррекции, фрагмент которого представлен на данном слайде.

Исследованы и предложены методы повышения характеристик встроенного АЦП, применяемого в датчике:

- алгоритмическая коррекция погрешностей;

- программно-аппаратная коррекция погрешностей с использованием эталонного источника напряжения (рисунок 11).

ИЭН ПНН

Рис. 11 Программно-аппаратная коррекция погрешностей, ИЭН – источник эталонного напряжения, ПНН – преобразователь «параметр – В четвертой главе рассматриваются средства исследования радиочастотных датчиков и варианты практического применения.

Для контроля амплитудно-частотных характеристик радиочастотного датчика в процессе производства предложен специально разработанный метод.

Рассмотрена технологическая установка, реализованная по данному методу (рисунок 12), частично алгоритм работы которой представлен на рисунке 13.

С использованием данной установки были измерены некоторые амплитудно-частотные характеристики датчика.

Рис. 12 Функциональная схема для исследования радиочастотных датчиков На рисунке 14 показаны экспериментальные амплитудно-частотные характеристики радиочастотного датчика, снятого для двух вариантов: датчик без защитного покрытия и датчик в корпусе (под защитным покрытием.) Дальность считывания Рис. 14 Экспериментальные амплитудно-частотные характеристики радиочастотного датчика, снятого для двух вариантов: датчик без защитного покрытия и датчик в корпусе Из графиков видно, что защитное 2-х миллиметровое покрытие из термопласта типа «Крастин» смещает резонанс датчика почти на 30 кГц в область низких частот.

В ходе работы были реализованы макетные образцы радиочастотных датчиков для:

- системы контроля температуры нагрева букс железнодорожного состава.

ВЫВОДЫ

В диссертационной работе на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований решена важная научно-техническая задача дистанционного контроля параметров изделий путем разработки методов и технических средств. Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. На основании анализа существующих методов и средств радиотехнического контроля изделий, а также требований к ним и условий их эксплуатации, предложены структурная схема системы дистанционного контроля, конструктивно-схемотехнические и программно-алгоритмические принципы построения датчика контроля.

2. С использованием предложенного метода и разработанного на его основе программно-аппаратного комплекса исследованы метрологические характеристики датчика, в частности его амплитудно-частотные характеристики.

3. Разработаны и изготовлены датчики, работающие на частоте МГц и совместимые с ISO 19374.

4. Полученные в работе практические результаты и рекомендации могут использоваться при проектировании новых и совершенствовании существующих систем дистанционного контроля параметров изделий.

Список публикаций 1. Рыбин М.А. Автоматизация поддержки жизненного цикла наукоемких изделий / Естественные и технические науки, №6, 2010, стр. 507-509.

Рыбин М.А. Автоматизация контроля характеристик радиочастотных идентификаторов / Легкий Н.М., Рыбин М.А., Дунаев А.С. // Наукоемкие технологии, №2, 2011г. Стр. 49 – 54.

3. Рыбин М.А. Радиочастотная идентификация в системах поддержки жизненного цикла изделий / Естественные и технические науки, №3, 2011, стр. 336-338.

Рыбин М.А. Автоматизация процесса идентификации деталей и комплектующих / Дунаев А.С., Лутов С.Н., Рыбин М.А.// Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта: Межвузовский сборник научных трудов, М:. МИИТ, 2010, с.110-114.

Рыбин М.А. Система радиочастотной пассивной идентификации с функцией дистанционного измерения температуры / патент РФ №109571, опублл.20.10.2011.

Рыбин М.А. Радиоприемное устройство сверхдлинноволновой радионавигационной системы» / Баранников И.В., Рыбин М.А. и др. // патент РФ № 94095, опубл. 10.05. Рыбин М.А. Система дистанционного контроля наработки радиоэлектронной аппаратуры / заявка на патент 2011120923, приоритет 25.05.2011.