4) Коэффициент шероховатости поверхности. На практике довольно часто отражающая поверхность объекта измерений отличается от зеркальной и падающие элементарные потоки испытывают направленно рассеянное отражение. В некоторых случаях для увеличения чувствительности оптического преобразователя несложно нанести на участке поверхности хорошо отражающее покрытие. Однако при измерении перемещений хрупких изделий малых габаритов, радиальных биений тел вращений даже такое незначительное вмешательство не представляется возможным. Элементарный поток, падающий на направленно рассеивающую поверхность, после отражения распределяется в зоне, ограниченной диаграммой направленности, вид которой определяется не только формой и высотой микронеровностей, но и направлением падения луча. Поэтому расчет функции преобразования при отражении от направленно рассеивающих поверхностей весьма трудоемок. При диффузном отражении отсутствует зеркальная оставляющая в отраженном потоке и этот случай является наиболее характерным. По сравнению с зеркальным отражением чувствительность оптических датчиков сильно падает, но сама функция преобразования сохраняет свою форму (рис. 4).
Рис. 4 Функции преобразования при отражении от поверхностей металлов при различных видах обработки. 1, 2 - торцевое и цилиндрическое фрезерование; 3 - расточка; 4, 5, 6 - плоское, круглое и внутреннее шлифование; 7 - точение
Функция показывает, что с увеличением высоты микронеровностей чувствительность в точке перегиба уменьшается, а сама точка смещается в сторону меньших значений. Не менее важным является анализ функции преобразования при отражении от полупрозрачных и прозрачных поверхностей. При отражении от прозрачных поверхностей функция преобразования представляется в виде двух составляющих: воздух - среда и среда - воздух. Поэтому сигнал на приемнике отличен от нуля и однозначно связан с толщиной прозрачного материала.
5) Концентрация примесей в среде. Оптические преобразователи работают в условиях, когда на приемник излучения сигнал поступает ослабленным за счет влияния среды распространения. В зависимости от свойств частиц и их размеров световой поток, проходя через среду, может отражаться, поглощаться, либо рассеиваться. Обычно средой распространения светового потока является атмосфера, в которой излучение может ослабляться в следствие двух процессов:
а) Рассеяние, которое меняет направление излучения.
б) Поглощение газовыми компонентами, которое приводит к преобразованию энергии светового излучения в другие виды энергии.
Так как атмосфера является механической смесью газа, пара, капель жидкостей и твердых частиц, в ней всегда находятся дым, пыль и капли воды в различном количестве. Поэтому атмосфера называется аэрозолем, состав которого постоянно меняется вследствие перемешивания. Все типы аэрозолей можно разделить на основные классы (рис. 5).
Рис. 5 Классификация атмосферных аэрозолей
Для расчета интенсивности света, прошедшего через слой тумана с толщиной , можно воспользоваться законом Бугера-Ламберта-Бера [6]:
, где
- интенсивность света, вступающего в слой,
- интенсивность света после прохождения слоя,
- натуральный показатель поглощения среды,
- пройденное светом расстояние.
Как видно, натуральный показатель поглощения является величиной, обратной расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде в раз.
Для различных веществ значения коэффициента поглощения - k сильно различаются:
- для воздуха (при нормальном давлении) k имеет порядок .
- для стекла - .
- для металлов - .
Это означает, что для трехкратного ослабления интенсивности света достаточен слой металла толщиной , или слой стекла
, или слой воздуха толщиной .
Проведенный анализ факторов, влияющих на показания преобразователя, позволяет построить математическую модель, которая используется в программном комплексе.
1.3 Поиск готовых математических моделей
Функции преобразования волоконно-оптических датчиков являются аналогами оптических датчиков. Принципиальное отличие данных датчиков, заключается в отсутствии внешних факторов, которые способны влиять на выходной сигнал. Вместо данных факторов на функцию преобразования влияет коэффициент передачи тракта в волокне.
Рассмотрим функцию преобразования, смоделированную в источнике [1]. В данном примере рассматривается волоконно-оптический датчик рефлектометрического типа (рис. 6).
Рис. 6 Схема волоконно-оптического датчика
Оптический канал данных датчиков выполнен в виде двух световодов и промежутка между ними. В передающий световод 1 от источника вводится поток излучения, часть из которого попадает на вход световода 2, который преобразуется в электрический сигнал. Физической основой работы данных преобразователей является изменение интенсивности светового потока, проходящего от источника к приемнику в соответствии с диаграммой направленности и светопропусканием световодов. Преимуществом оптоволоконных оптических преобразователей является слабая зависимость результатов измерений от внешних факторов, таких как температура, электромагнитные поля большой интенсивности, химическая инертность и коэффициент примесей в среде. Это дает возможность получать заданные конструктивные и метрологические характеристики преобразователя за счет конструкции волоконно-оптических каналов.
Математическую основу данного преобразователя составляет модель функции преобразования, которая представляется зависимостью тока фотоприемника от различных внешних факторов:
, где
- поток, испускаемый источником,
- коэффициент спектрального согласования элементов,
- функция передачи оптического тракта,
- интегральная чувствительность фотоприемника.
Наибольший интерес представляет значение переменной . Оно определяется различными коэффициентами. Для данного волоконно-оптического преобразователя
, где
- коэффициент передачи тракта “источник излучения - передающий световод”,
- коэффициент передачи тракта “приемный световод - приемник излучения”,
- функция коэффициента передачи тракта “передающий торец световода - объект контроля - приемный торец световода”.
Значение определяется значением информативных факторов в зоне измерений, но в данной функции многие факторы опускаются. Отсюда вытекают недостатки данной функции для исследования рассматриваемых в работе оптических преобразователей:
1) Влияние коэффициентов передачи тракта в волокне. В данной работе используются оптические преобразователи без волокна, поэтому данные коэффициенты учитывать не имеет смысла.
2) Отсутствие учета информативных внешних факторов, таких как коэффициент примесей в среде, материал отражающей поверхности и его шероховатость.
Несмотря на отсутствие учета некоторых факторов, анализ данной функции позволяет построить собственную математическую модель для внедрения в ПО.
1.4 Разработка математической модели датчика
Для всех рефлектометрических оптических преобразователей получение информации об измерениях связано с изменением амплитуды потока, который проходит с торца излучателя под влиянием измеряемого параметра. Если торец источника светового потока контактирует с отражающей поверхностью, то световой поток к приемнику практически не поступает. При увеличении площади отраженного потока возникает резкий рост поступающего в фотоприемник. Крутизна изменения потока растет до тех пор, пока границы отраженного потока не выйдут за торец приемника.
Для начала, рассмотрим идеальную систему. Так как информативными характеристиками светодиода являются ток светодиода и угол распространения света, указанные в технических характеристиках светодиода, в данной системе светодиод можно рассматривать в виде точки. Информативной характеристикой фотодиода является ширина принимающей, поверхности, поэтому для расчетов используется отрезок заданной ширины (рис. 7).
Рис. 7 Система источник-приемник, где 1 - источник излучения, 2 - приемник излучения
Для высокой точности измерений, количество лучей, излучаемых источником, считаем равным 10000. Задача заключается в том, чтобы найти количество лучей, которые попадают на поверхность фотоприемника при увеличении расстояния от источника до отражающей поверхности.
Каждый источник излучения имеет в своем описании диаграмму направленности, которая показывает максимальный угол, под которым излучается свет. На рисунке обозначены расстояние от источника до приемника , ширину приемника , угол падения луча б, и расстояние до отражающей поверхности . Тогда для каждого необходимо выяснить сколько лучей попадает на приемник. В таком случае, расстояние, которое проходит луч по оси равно По закону отражения света, угол падения равен углу отражения, соответственно при отражении луч пройдет расстояние . Если , попадает в границы принимающей поверхности фотоприемника и , значит данный луч считается попавшим на поверхность фотоприемника. Суммарная энергия на фотоприемнике будет равна где - количество лучей, попавших на поверхность фотоприемника.
Теперь добавим внешние факторы, проанализированные в работе для составления конечной функции преобразования, которая и будет использована для разработки ПО. Материал отражающей поверхности поглощает часть света, следовательно ток на фотоприемнике, уменьшается на величину коэффициента отражающей поверхности. Обозначим коэффициент отражения от поверхности . Коэффициент распространения света в среде также был определен в результате анализа. Обозначим данный коэффициент .
Конечный вид формулы, определяющий вид функции преобразования принимает вид:
2. Разработка программного обеспечения для моделирования характеристик оптических преобразователей
2.1 Выбор и обоснование инструментов для разработки программного обеспечения
Для выбора языка программирования и инструментов для разработки ПО необходимо сформулировать задачи, которые требуется решить в рамках разработки ПО. Это позволяет облегчить процесс разработки, используя готовые библиотеки и фреймворки. Необходимые задачи:
1) Создание объектов для элементов преобразователя. Необходимо предоставлять возможность добавления и удаления моделей для анализа характеристик.
2) Запись и чтение данных моделей в файл для их хранения независимо от этапа жизненного цикла ПО. Данная функция позволит хранить добавленные в ПО модели при перезапуске, без необходимости повторного добавления моделей.
3) Реализация графического интерфейса ПО. Язык программирования должен предоставлять графические элементы, позволяющие проводить анализ характеристик оптических преобразователей.
4) Предоставление инструментов для работы с графиками. Для реализации данной функции необходимы инструменты, способные отражать и модифицировать графики в системе координат.
5) Выгрузка данных в виде excel-таблиц.
С поставленными задачи способно справляться большинство современных языков программирования. Предпочтительными языками являются объектно-ориентированные для представления данных в виде объектов. Исходя из вышесказанного, сделан вывод о разработке ПО на языке Java.
Java - язык программирования и платформа вычислений, которая была впервые выпущена Sun Microsystems в 1995 г. Java включает в себя виртуальную машину JVM, необходимую для исполнения скомпилированного кода и набор разработчика JDK, который содержит в себе набор библиотек и инструментов для создания, компилирования и отладки программ. Java является одним из самых популярных языков, постоянно обновляется и поддерживается, имеет огромный набор документации и фреймворков, которые упрощают решение данных задач.
На платформе Java предоставляется инструментарий JavaFX. JavaFX позволяет создавать кроссплатформенное программное обеспечение с насыщенным графическим интерфейсом и включает в себя большой набор графических компонентов, позволяющих решить поставленные задачи. С помощью JavaFX можно создавать программное обеспечение для основных операционных систем (Windows, MacOS, Linux). Для работы ПО необходима предустановленная исполняемая среда JRE. JavaFX имеет ряд преимуществ по отношению к другим схожим платформам. Данная платформа предоставляет огромный набор элементов управления, а также возможность работы с мультимедиа, двухмерной и трехмерной графикой, декларативный способ описания интерфейсов с помощью языка разметки FXML [3], возможность стилизации интерфейсов с помощью CSS и многое другое.
Для разработки программного обеспечения на языке Java существует множество сред разработки, такие как NetBeans, Eclipse, IntelliJ IDEA, JDeveloper и т. д. Для реализации данного ПО выбрана среда IntelliJ IDEA, потому что имеет ряд преимуществ:
1) Интуитивно понятный интерфейс.
2) В процессе написания программы среда занимается построением синтаксического дерева, анализом возможных путей исполнения операторов и передачи данных.
3) Обращает внимание на ошибки и предоставляет варианты их решения, чтобы предотвратить разработчика от ошибок компиляции.