Физические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники




НазваниеФизические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники
страница1/11
Дата публикации12.04.2013
Размер1.39 Mb.
ТипДокументы
litcey.ru > Информатика > Документы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
Физические основы создания нелинейных измерительных устройств

Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники

Развитие и совершенствование парка современных датчиков является одним из важнейших направлений повышения эффективности средств измерений. Роль датчиков является определяющей в любой измерительной системе. От их характеристик все в большей мере зависит надежность и эффективность различных технических устройств. Физические принципы функционирования датчиков в значительной степени определяют технический уровень средств измерения и контроля на их основе, возможность их унификации.

Для современного состояния парка датчиков характерно, что потребность в них в различных областях деятельности человека привела к созданию избыточной номенклатуры серийно выпускаемых датчиков. Также одной из острых проблем является необходимость обеспечения высокой чувствительности датчиков в условиях сильных внешних воздействий на них. Поэтому, принципиально важной тенденцией совершенствования датчиков на современном этапе развития измерительной техники является интеллектуализация процессов получения и обработки измерительной информации, предполагающей функциональное и конструктивное объединение этапов первичного получения, передачи и обработки измерительной информации.

Современные тенденции развития отрасли производства измерительных устройств определяются в основном использованием прогрессивных технологий производства датчиков, а также использованием новых физических принципов их функционирования. Основными задачами, которые приходится решить при создании новых типов датчиков, являются: повышение быстродействия измерений, точности измерений, термоустойчивости в расширенном диапазоне температур, виброустойчивости, помехоустойчивости, надежности, пожаро- и взрывобезопасности, расширение диапазонов измерений, обеспечение дистанционности измерений, увеличение ресурса работы, снижение энергопотребления, массы и габаритов, обеспечение сопряжения систем измерения с ЭВМ, снижение затрат на обслуживание и эксплуатацию. Миниатюризация чувствительных элементов датчиков позволит интегрировать их в многофункциональные модули, рассредотачивать в виде нейросети, органически вписывать по всему профилю или объему изделия, узла или детали. Чувствительные элементы таких датчиков могут размещаться и в местах, в которых могут возникать сильные механические нагрузки, скачки температуры, на них могут воздействовать агрессивные среды и т.п., что обусловливает появление дополнительных составляющих погрешностей измерений.

Для снижения неопределенности результатов измерений используют различные технические устройства, приходится производить обработку больших массивов данных, полученных от большого числа датчиков расположенных в различных точках объекта измерения. С усложнением измерительных систем растет объем измерительной информации, особенно если приходится следить за изменением параметров во времени. Производить быструю обработку таких объемов информации современными средствами вычислительной техники уже сейчас является достаточно трудоемкой задачей. Выходом из этой ситуации может послужить объединение процессов получения, передачи и обработки измерительной информации в одном интеллектуальном измерительном устройстве. Такие системы уже на начальных этапах получения измерительной информации должны обеспечивать ее предварительную обработку, например, осуществлять усреднение сигналов от большого числа однотипных датчиков, выполнять простейшие функциональные преобразования, производить оптимизацию режимов работы первичных измерительных преобразователей, осуществлять их адаптацию к изменяющимся условиям работы.

Для решения таких задач необходимо создавать интеллектуальные измерительные системы. Очевидно, что интеллектуализацию процесса первичного измерительного преобразования желательно производить в условиях максимального приближения к объекту измерения. Для достижения этой цели необходимо использовать нелинейные измерительные преобразователи, способные выполнять дополнительные функции, обеспечивающие адаптацию их к изменяющимся условиям эксплуатации. В то же время, такие интеллектуальные первичные измерительные преобразователи должны быть избирательными, способными обеспечивать низкую чувствительность к дестабилизирующим воздействиям и высокую чувствительность к измеряемым величинам.

Таким образом, одним из основных условий создания современных измерительных систем является разработка и использование нового поколения датчиков на основе интеллектуальных первичных измерительных преобразователей. Такие устройства должны быть эффективными в метрологическом и в экономическом аспектах.

В настоящее время в измерительную технику широко внедряются достижения из области разработки искусственного интеллекта. В основу создания таких устройств положены принципы перехода от четкой программируемости их поведения в направлении приближения к принципам функционирования живых систем. Основное свойство таких «интеллектуальных» измерительных устройств состоит в способности адаптации их характеристик, структур, режимов работы к изменяющимся параметрам объекта измерения и условиям работы. Такие измерительные устройства будут являться действительно интеллектуальными, только тогда, когда они будут способны реагировать на изменение условий эксплуатации, путем изменения своих функциональных характеристик. Кроме этого, измерительные устройства нового поколения будут иметь не только более высокую способность адаптации к изменяющимся условиям, но и даже быть способными к самообучению.

По сравнению с обычными измерительными устройствами интеллектуальные устройства имеют множество преимуществ: обеспечивают более высокие метрологические характеристики, они эффективнее, надежнее в работе, имеют меньшие эксплуатационные затраты. При этом действия таких измерительных систем могут быть весьма сложными, для обеспечения их функционирования приходится использовать достаточно сложные алгоритмы обработки полученных сигналов.

Для создания таких устройств широко используют идеи, основанные на изучении биологических объектов. Органы чувств – это интеллектуальные средства измерений, адаптируемые, нелинейные, с обратными связями.

Разработка интеллектуальных систем требует отхода от традиционных методов проектирования измерительных устройств. Подобно естественному отбору в природе, в технике также происходит постепенное развитие конструкций, усложнение принципов работы устройств, их последующие поколения будут значительно отличаться от предыдущих. Можно с уверенностью сделать вывод о том, что дальнейшее совершенствование измерительной техники пойдет по пути широкого применения нейросетевых технологий, которые будут использоваться для получения, передачи и обработки измерительной информации.

Очевидно, что такие измерительные устройства должны быть нелинейными, управляемыми, должны содержать цепи обратной связи. Это позволит не только улучшить их метрологические характеристики, но и повысить информативность процессов получения, передачи и обработки измерительной информации.

Для разработки таких измерительных устройств могут быть использованы нелинейные физические эффекты, материалы, режимы работы устройств. Например, усиление сигнала можно обеспечить не только за счет использования традиционных усилителей, но и путем накопления энергии, перераспределения ее между отдельными элементами схемы. Для этой цели могут быть использованы режимы связанных колебаний в системах с конечным числом степеней свободы.

К числу таких измерительных систем можно отнести осцилляторные нейронные сети (ОНС), состоящие их взаимодействующих пьезорезонансных датчиков, электромагнитных контуров, лазеров и других первичных преобразователей, реализующих в своих структурах колебательные и волновые процессы. Теоретической базой для развития такого направления совершенствования измерительных устройств являются успехи в развитии нелинейной динамики. Использование сложных нелинейных динамических систем для создания устройств получения и обработки измерительной информации открывает новые возможности для метрологии и технических измерений.

Исследования, проектирование, прогноз поведения таких сложных динамических систем опираются, с одной стороны, на использование компьютерных технологий, а с другой – на построение иерархии физических и математических моделей. На верхнем уровне в такой иерархии обычно находятся сложные физические модели с широкой областью применимости, анализ которых требует достаточно сложных вычислительных процедур. Модели более низкого уровня проще, нагляднее, но применимы в более узких рамках. Модели нижнего уровня просты и во многих случаях очевидны. Их достоинством является универсальность, так как при исследовании множества различных нелинейных систем возникают одни и те же модели этого уровня. Изучение таких систем позволило ввести новые концепции, понятия, методы исследования, изменившие сам взгляд на мир нелинейных объектов. Так называемый синергетический подход существенно повлиял на развитие различных научных направлений, в том числе в последние годы с этих позиций все чаще рассматривают создание новых технологий и основу инженерной деятельности – задачи измерений.

В основе теории измерений лежит процедура сопоставления прогноза с результатами измерений для объекта, состояние которого изменяется со временем. Согласно синергетике оказывается, что для множества объектов с нелинейной динамикой малые причины могут привести к большим последствиям. Такие явления реализуются в сложных нелинейных динамических системах, обладающих чувствительностью к начальным условиям. Суть этого явления заключается в том, что при сколь угодно малой погрешности в определении начального положения системы результаты измерений ее характеристик с течением времени расходятся. С практической точки зрения это означает, что нелинейная динамика становится научной основой анализа сложных систем, систем с чувствительностью к начальным условиям. Это позволяет ставить и решать принципиально новые задачи, связанные с измерением или контролем сверхмалых величин. В процессе измерения параметров таких систем привносится статистический, вероятностный элемент, причем это определяется не несовершенством используемых приборов, а внутренними свойствами исследуемого объекта.

Создание измерительных устройств с использованием достижений нелинейной динамики должно послужить решению ряда принципиально важных проблем, существующих в настоящее время в теории измерений. Это, например, проблема перехода с уровня микромира на макроуровень, связанная с необходимостью обеспечения гигантского усиления сигнала. Теория таких усилителей, играющих ключевую роль в измерении состояния микрообъектов, пока не создана. Она имела бы огромное значение для понимания поразительных способностей по восприятию информации биологическими объектами. Само существование «гигантских усилителей» с инженерной точки зрения представляется парадоксом – усилитель с таким коэффициентом усиления должен был бы постоянно «шуметь».

Существуют также ограничения, связанные с измерениями в области нанометрии. В настоящее время существует слишком оптимистическое представление о возможностях нанотехнологий. Например, при уменьшении масштабов все более важную роль, начинают играть неизвестные ранее эффекты, поэтому физические основы разработки конструкций при уменьшении их масштабов на несколько порядков существенно изменяются. Качество продукции такого типа зависит также от точности проведения необходимых измерений, позиционирования инструмента. В то же время пока неясно, как точно, быстро и удобно можно будет обеспечить необходимую точность измерений на наноуровне.

Подход к метрологии и измерительной технике с нелинейных позиций, теории самоорганизации требует переосмысления многих классических проблем в этих областях, ставит ряд новых задач. В связи с этим, в настоящее время происходит переход теории измерений на новый уровень, связанный с широким использованием нелинейных принципов и подходов, как к разработке измерительных устройств, так и для реализации процессов передачи и обработки измерительных сигналов.

Для примера приведем следующие рассуждения. Известно, что в качестве действительного значения измеряемой физической величины принимают усредненное значение, получаемое по результатам многократных измерений или в результате низкочастотной фильтрации сигналов техническими средствами. В любом случае действительное значение измеряемой физической величины – это условный параметр, не существующий в реальных условиях. При измерении макропараметров объектов с огромным числом частиц, например, температуры, давления, величины тока в электрической цепи и других, не возникает проблем с необходимостью учета их дискретности, квантованности. При выполнении соответствующих условий удается измерять значения макропараметров с достаточно высокой точностью. Но при исследовании микрообъектов, при измерении сильно зашумленных сигналов, когда усредненное значение физического параметра и погрешность его определения становятся сравнимыми, можно говорить только о контроле какого-то параметра объекта, а не об его измерении. Условие, при котором погрешность измерения больше измеряемой величины больше подходит, очевидно, для систем распознавания образов, когда требуется устанавливать какие-то общие черты объекта, абстрагируясь при этом от учета мелких, малозначащих факторов.

Для создания таких устройств, способных обеспечивать режим высокой чувствительности в условиях сильного зашумления полезного сигнала, можно реализовать, например, хаотические процессы в сложных нелинейных динамических системах.

В связи с этим, представляет интерес исследование возможности использования сложных динамических систем для разработки высокочувствительных устройств контроля; устройств, предназначенных для решения задач распознавания образов; для создания интеллектуальных технических устройств.

В основу создания таких интеллектуальных измерительных устройств можно положить, например, принципы функционирования осцилляторных нейроноподобных систем. Практически они могут быть выполнены, например, в виде ансамблей взаимосвязанных резонаторов. С их помощью могут выполняться задачи усреднения измерительных сигналов от большого числа датчиков. Это позволит повысить не только быстродействие, но и надежность работы устройств, так как выход из строя части датчиков не приведет к отказу всей системы.

Использование принципа низкочастотной фильтрации сигналов в условиях максимального приближения к объекту измерения позволит существенно повысить вероятность обнаружения сигнала, так как при этом увеличивается отношение сигнал/шум. К достоинствам таких интеллектуальных многоэлементных первичных измерительных преобразователей можно отнести то, что с их помощью можно осуществлять параллельную, а не последовательную обработку измерительных сигналов.

Этот фактор является крайне важным, в связи с тем, что автоматизация технологических процессов, проведение современных научных исследований сопровождается неукоснительным ростом числа используемых датчиков, потребностью в повышении их чувствительности, разрешающей способности, быстродействия. При этом требуется производить большой объем вычислительных операций, возрастает сложность алгоритмов выполняемых вычислительных операций. Все это определяет особенности современного этапа развития измерительной техники, связанные с необходимостью дальнейшей интеллектуализации измерительного процесса, в том числе за счет использования нейросетевых технологий, разработки и применения нелинейных измерительных устройств, устройств с нечеткой логикой и т.п.

Для решения задач интеллектуализации процессов получения, передачи и обработки измерительной информации представляет практический интерес возможность использования ансамблей взаимодействующих осцилляторов. Рациональное применение режимов связанных колебаний в таких сложных многоосцилляторных системах позволит повысить разрешающую способность первичных преобразователей, их надежность и качество измерений. Причем в устройствах такого типа решение перечисленных задач достигается не за счет использования сложных схем и алгоритмов их функционирования, а за счет реализации нелинейных режимов работы сложных динамических систем. При этом повышение точности измерений достигается путем усреднения сигналов от большого числа датчиков, находящихся в условиях максимального приближения к объекту измерения.

Применение многоосцилляторных первичных преобразователей позволит обеспечить высокоскоростной режим работы измерительного устройства, реализовать параллельный принцип обработки сигналов от большого числа датчиков. При этом структура устройства первичной обработки информации формируется и трансформируется в соответствии с учетом предистории процесса и зависит от текущего состояния системы, соотношения входных воздействий. В результате такое устройство получения и обработки информации становится нелинейным, саморегулируемым, имеющим обратные связи, оно, как бы, приспосабливается к изменяющимся условиям работы.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Похожие:

Физические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники iconСовременные проблемы и основные направления развития измерительной техники
Методы измерений с использованием эффектов резонансного взаимодействия электромагнитного поля с веществом
Физические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники iconПаспорт программы развития Анализ проблем развития Концептуальные...
Целевая программа развития моу лицея г. Таганрога на 2009 – 2014 годы (далее – Программа) – основополагающий документ, устанавливающий...
Физические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники iconОсновные научные направления академии и научные школы
Воронежской области и г. Воронежа, в соответствии с перечнем приоритетных направлений развития науки и техники, а также Концепцией...
Физические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники iconОсновные научные направления академии и научные школы
Воронежской области и г. Воронежа, в соответствии с перечнем приоритетных направлений развития науки и техники, а также Концепцией...
Физические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники iconМетодические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации»
Патрушев Е. М., Патрушева Т. В., Седалищев В. Н. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения...
Физические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники iconМетодические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации»
Патрушев Е. М., Седалищев В. Н. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» для...
Физические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники iconМетодические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации»
Патрушев Е. М., Патрушева Т. В методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» для...
Физические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники iconКурсовая работа на тему «Структурная политика государства и ее основные направления»
Основные направления развития структуры национальной экономики в условиях нтп
Физические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники iconПрограмма «Основы видеосъемки» Составитель: Педагог дополнительного образования Д. Н. Смоляков
Развитие современных технологий и компьютерной техники привело к тому, что в школе к настоящему времени сформировалась определенная...
Физические основы создания нелинейных измерительных устройств Современные проблемы и основные направления развития измерительной техники iconИнформатика и вычислительная техника
Аналитический обзор по курсу «Современные проблемы информатики и вычислительной техники»
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
litcey.ru
Главная страница