Дипломная работа: Разработка программного комплекса моделирования характеристик оптических преобразователей

Аннотация

Дипломная работа на тему “Разработка программного комплекса моделирования характеристик оптических преобразователей” содержит 45 страницы, 19 рисунков, 1 таблицу, 5 использованных источников.

Объект исследования - оптические преобразователи перемещения.

Цель работы - разработка программного комплекса, позволяющего синтезировать работу оптических преобразователей линейного перемещения на малых расстояниях.

Первая глава посвящена анализу работы оптических преобразователей и построению математической модели датчика, которая необходима для реализации ПО.

Вторая глава включает в себя выбор инструментов для разработки программного комплекса, подробное описание процесса разработки и проведение тестирования разработанного ПО.

Практическая ценность данной работы заключается в возможности моделирования работы оптических преобразователей линейных перемещений, сравнении результатов работы различных датчиков между собой и синтезе новых характеристик в зависимости от комбинаций сигналов без изготовления реального датчика.

В ходе дальнейших исследований в данной области наиболее целесообразной представляется разработка ПО, моделирующего угловое перемещение отражающей поверхности, в рамках программного комплекса моделирования характеристик оптических преобразователей.

Abstract

The graduation work " Development of a Software Package for Modeling the Characteristics of Optical Converters" contains 45 pages, 19 illustrations, 1 table, 5 sources used.

The object of research are optical converters.

The purpose of work is development of a software complex allowing to synthesize operation of optical converters at short distances.

The first chapter is devoted to the analysis of optical converters operation and construction of the mathematical model of the sensor, which is necessary for software implementation.

The second chapter includes selection of tools for software development, detailed description of the development process and testing of the developed software.

The practical value of this work includes the possibility of modeling the operation of optical linear converters, comparing the results of different sensors among themselves and synthesizing new characteristics depending on the combinations of signals without making a real sensor.

During further research in this area, the development of software that simulates the angular displacement of the reflective surface within the framework of a software package to model the characteristics of optical converters is most appropriate.

Оглавление

программный обеспечение оптический преобразователь

Введение

1. Анализ структуры оптических преобразователей

1.1 Структура оптического преобразователя

1.2 Оценка влияния компонентов датчика на функцию преобразования

1.3 Поиск готовых математических моделей

1.4 Разработка математической модели датчика

2. Разработка программного обеспечения для моделирования характеристик оптических преобразователей

2.1 Выбор и обоснование инструментов для разработки программного обеспечения

2.2 Формирование библиотеки светодиодов

2.3 Разработка ПО

2.4 Разработка методики программных испытаний

Заключение

Перечень сокращений

Список использованных источников

Приложения

Приложение 1 Ввод десятичных значений

Приложение 2 Чтение и запись файла

Приложение 3 Расчет функции преобразования

Приложение 4 Формирование excel отчета

Введение

Оптические преобразователи перемещений имеют широкое применение в автоматизированных системах для определения ее технических возможностей, показателей качества и надежности. Основная задача таких преобразователей заключается в отслеживании перемещения контролируемого объекта и преобразовании изменения положения этого объекта в выходной сигнал, на основе которого происходит дальнейшая обработка и сбор информации.

Большинство книг и научных работ посвящены анализу работы оптоволоконных оптических преобразователей, а работ, посвященных работе оптических преобразователей перемещения без оптоволокна крайне мало. Кроме того, многие работы направлены на анализ выходного сигнала на больших расстояниях, а научные работы, посвященные анализу выходного сигнала на малых расстояниях, практически отсутствуют.

Целью дипломной работы является разработка программного комплекса, способного моделировать характеристики оптических преобразователей перемещений на малых расстояниях. Для успешного выполнения разработки необходимо решить следующие задачи:

1) Провести анализ структуры оптических преобразователей.

2) Определить чувствительность преобразователей к информативным и неинформативным факторам.

3) Провести поиск готовых моделей функций преобразования оптических преобразователей линейных перемещений. При неудачных результатах поиска провести построение математической модели датчика.

4) Провести выбор инструментов для разработки ПО.

5) Сформировать библиотеку светодиодов и фотодиодов.

6) Выполнить разработку ПО.

7) Разработать методику тестирования разработанного ПО.

8) Провести тестирование ПО в соответствие с разработанной методикой.

Структура выпускной квалифицированной работы включает в себя оглавление, введение, две главы, заключение и список использованной литературы.

Первая глава посвящена анализу теоретической информации и математическим расчетам, позволяющим разработать программное обеспечение. В первом параграфе рассмотрена структура оптических преобразователей, позволяющая выделить основные технические характеристики. Во втором параграфе изучены факторы, способные влиять на показания прибора. Третий параграф посвящен поиску научных работ и литературы с построением функций преобразования для оптических преобразователей, которые позволяют использовать некоторые части для исследования и построения собственной функции. Четвертый параграф описывает процесс построения математической модели датчика с помощью геометрической оптики и результатов, полученных в предыдущих параграфах, результаты которого позволяют решить поставленную цель работы - разработку программного комплекса.

Во второй главе работы подробно описывается процесс разработки программного комплекса. В первом параграфе второй главы формируется набор функций и задач, которые необходимо выполнить при разработке ПО. На основании поставленных задач выбраны инструменты для разработки такие как язык программирования Java с дополнительными библиотеками JavaFX - для работы с графическим интерфейсом и Apache POI - для работы с excel файлами. Во втором параграфе сформирована библиотека с проанализированными светодиодами, которые используются в качестве моделей в ПО. В третьем параграфе содержится описания процесса разработки ПО, в частности описание архитектуры разрабатываемого комплекса и описание основных алгоритмов программы, которые подкреплены приложениями, включающими в себя выдержки из кодовой базы. В четвертом параграфе рассмотрена тестовая модель программного обеспечения, позволяющая проверить корректность вычислений и предотвратить пользователя от возможных исключительных ситуаций.

1. Анализ структуры оптических преобразователей

1.1 Структура оптического преобразователя

Оптический преобразователь - элемент, преобразующий один вид энергии в другой. Физическую основу работы таких преобразователей линейных перемещений составляет изменение интенсивности излучения под действием перемещения поверхности, проходящего с выхода источника излучения на вход приемника излучения.

Для оптических преобразователей характерны два способа получения информации:

1) Оптические преобразователи рефлектометрического типа. Для данных преобразователей наиболее характерно отсутствие контакта с объектом измерений. Поток излучения с источника направляется на отражающую поверхность объекта, и часть отраженного потока, которая зависит от начальных условий, попадает на приемник излучения.

2) Оптические преобразователи проходящего типа. В данных преобразователях поток с торца источника излучения на торец приемника излучения и модуляция осуществляется либо изменением расположения торцов относительно друг друга, либо изменением условий распространения потока между неподвижными контактами.

Оптический преобразователь состоит из источника излучения и приемника излучения. Выбор источника излучения оказывает большое влияние на характеристики оптического преобразователя. В качестве источника могут служить:

а) Газоразрядные лампы. Данные лампы вызывают пульсацию потока излучения при минимальных изменениях питающего напряжения.

б) Оптические квантовые генераторы. В лазерах сфокусированные узкие световые потоки способные в несколько раз превышать потоки других источников.

в) Лампы накаливания. Лампы накаливания являются высокоинерционными источниками, откуда следует, что они имеют малый коэффициент пульсации. Основные параметры ламп сильно зависят от напряжения питания, поэтому необходимо использовать стабилизированный источник питания.

г) Светодиоды. Отличительная особенность светодиодов заключается в том, что они позволяют получить плотность излучения, аналогичную лампам накаливания, при гораздо меньшем значении потребляемой мощности.

В данной работе в качестве источника излучения рассматриваются светодиоды.

Рассмотрим основные характеристики светодиодов:

1) Прямой номинальный ток. Номинальный прямой ток -- это ток, при прохождении которого через данный светодиод в прямом направлении, гарантируются световые параметры, указанные в паспорте светодиода. Другими словами, это рабочий ток светодиода, при котором светодиод точно не перегорит, и сможет нормально работать на протяжении всего срока эксплуатации. В этих условиях p-n-переход не будет пробит и не перегреется. На практике величина номинального прямого тока зависит от размера кристалла, от типа полупроводника, и лежит в диапазоне от единиц микроампер до десятков миллиампер (для светодиодных сборок типа COB -- еще больше).

2) Угол рассеяния светодиода. Эта характеристика часто описывается в документации в виде диаграммы направленности и измеряется в градусах. Этот параметр может лежать в диапазоне от 15 до 140°. Изображение типичной диаграммы направленности представлено на рисунке 2.

Рис. 2 Диаграмма направленности

Второй составной частью оптического датчика является фотоприемник. Фотоприемники работают на основе полупроводниковых p-n переходов и могут работать в двух режимах:

1) Вентильный режим. Вентильный фотоэлемент представляет собой полупроводниковый диод (рис. 3. а), чувствительным элементом которого является полупроводник p-типа, над которым специальной обработкой образован тонкий слои полупроводника n-типа и разделяющий их тончайший запорный слой, называемый p-n переходом. Сверху полупроводник покрыт полупрозрачным металлическим слоем или сеткой 1 из серебра, золота или платины, служащей верхним электродом. Нижним электродом является металлическое основание 2. Под действием светового потока, проникающего через полупрозрачный электрод и тонкий слой n-полупроводника, вследствие фотоэффекта в p-полупроводнике образуется повышенная концентрация электронно-дырочных пар. Электроны увлекаются потенциальным барьером на границе p-n перехода и беспрепятственно проникают в слой n-полупроводника, заряжая его отрицательно, а дырки, оставшиеся в p-полупроводнике, заряжают его положительно. В результате этого процесса между электродами возникает разность потенциалов, значение которой зависит от интенсивности светового потока и интегральной чувствительности фотоэлемента.

Рис. 3 Вентильный элемент и его эквивалентная схема

2) Диодный режим имеет преимущества (большее быстродействие, лучшая стабильность, больший динамический диапазон, большая чувствительность в ИК области). Недостаток - наличие темнового тока. Разновидности фотодиодов:

• p-i-n диоды; имеют три области: сильнолегированную n+, с малой концентрацией примеси i, сильнолегированную p+.

• лавинные; реализуется усиление тока, обусловленное умножением числа носителей за счет ионизации атомов кристаллической решетки.

• гетерофотодиоды; используют слоистую структуру из разных полупроводниковых материалов. Достигается высокая чувствительность при высоком быстродействии.

Анализ структуры оптических параметров позволяет определить какие технические характеристики имеют наибольшее влияние на моделирование его поведения при построении математической модели и разработке ПО.

1.2 Оценка влияния компонентов датчика на функцию преобразования

Рассмотрим параметры, которые имеют наибольшее влияние на показания датчика.

1) Ток светодиода. В зависимости от тока светодиода, мощность световых лучей увеличивается, тем самым возрастает ток фотоприемника. Фототок приемника светового излучения прямо пропорционален току источника излучения.

2) Площадь принимающей поверхности фотоприемника. От площади принимающей поверхности зависит количество, попадающих на нее лучей. С повышением площади принимающей поверхности количество попадающих на нее лучей увеличивается, увеличивая конечный ток фотоприемника.

3) Материал отражающей поверхности. В зависимости от того, из чего изготовлена отражающая поверхность, луч, попадающий на ее поверхность, будет ослаблен или полностью поглощен. Данный параметр представляет коэффициент, который показывает, насколько эффективно луч отражается от поверхности. В зависимости от характера поверхности целевого объекта применяются особые корректирующие коэффициенты, представленные в таблице 1.

Таблица 1

Коэффициенты отражения материалов