ДАТЧИКИ И СИСТЕМЫ № 9, 2012
С О Д Е Р Ж А Н И Е И А Н Н О Т А Ц И И
CONTENTS AND ABSTRACTS
Представляет Научно-исследовательский институт
физических измерений
Дмитриенко А. Г. ОАО «НИИФИ» – интеграция технологий Космоса и Земли … 2
Dmitrienko A.G. OAO "NIIPhI" – integration of Space and Earth technologies
Дмитриенко А. Г., Блинов А. В., Трофимов А. Н., Трофимов А. А. Тенденции развития датчиков, преобразователей и на их основе систем измерения, мониторинга и контроля технически сложных объектов ракетно-космической техники … 4
Рассмотрены основные направления развития датчиков для систем мониторинга и контроля технически сложных объектов ракетно-космической техники. Предложены варианты расширения эксплуатационных возможностей, увеличения точности и надежности перспективных датчиков. Изложены принципы формирования интеллектуальных систем неразрушающего контроля и диагностики.
Ключевые слова: датчик, ракетно-космическая техника, датчиковая аппаратура, интеллектуальный датчик, вооружение и военная техника.
Dmitrienko A. G., Blinov A. V., Trofimov A. N., Trofimov A. A. Development trends for sensors, transducers and based on them measuring, monitoring and control systems for technically complex objects of rocket-and-space engineering
The main development trends for sensors of monitoring and control systems for technically complex objects of rocket-and-space engineering have been analyzed. Some variants of operational capability enlargement, accuracy and reliability increase for advanced sensors have been offered. Basic principles for the development of smart non-destructive testing and diagnostics systems have been given.
Keywords: sensor, of rocket-and-space engineering, sensors’ based equipment, smart sensor, weapons and military equipment.
ДАТЧИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Торгашин С. И., Папко А. А. Высокочувствительный МЭМС-датчик сейсмоскорости для систем аварийной защиты и диагностики … 7
Представлены результаты разработки датчика сейсмоскорости на основе МЭМС-технологий, внедренных в ОАО “НИИФИ” с начала 1980-х годов прошлого столетия. Показаны преимущества МЭМС-датчика в сравнении с известными аналогами, заключающиеся в улучшении массогабаритных и энергетических характеристик.
Ключевые слова: сейсмометр, датчик сейсмоскорости, акселерометр, МЭМС-технологии, демпфирование.
Torgashin S. I., Papko A. A. High-resolution MEMS sensor of speed of seismic waves for emergency protection and diagnostic systems
Research and design results for sensor of speed of seismic waves based on MEMS technologies having been adopted in “NIIFI”, JSC since the beginning of 80s in the last century, have been given. Advantages of MEMS sensor in comparison with known analogues have been shown, these advantages being the enhancement of mass-dimensional and energy characteristics.
Keywords: seismometer, sensor of speed of seismic waves, accelerometer, MEMS technologies, buffering.
Блинов А. В., Мишанин А. Е., Москалев С. А., Ползунов И. В. Интегральный датчик давления, ускорения и температуры на базе МЭМС-технологий … 9
Рассмотрены применение МЭМС-технологий для разработки интегрального многофункционального датчика физических величин, предназначенного для измерения давления, ускорения, температуры, а также принципы преобразования, заложенные при проектировании датчиков давления, температуры и ускорения. Отмечено, что интегральный многофункциональный датчик физических величин на основе МЭМС-технологий отличается рядом положительных свойств в сравнении с датчиками давления, ускорения и температуры, связанных с уникальными конструктивными и технологическими решениями.
Ключевые слова: датчик давления, МЭМС-акселерометр, датчик температуры, МЭМС-технологии, интегральный многофункциональный датчик физических величин.
Blinov A. V., Mishanin A. E., Moskalev S. A., Polzunov I. V. Integral pressure sensor, acceleration and temperature on the basis of MEMS technology
The application of MEMS technology for the development of integrated multifunctional sensors for measuring pressure, acceleration, temperature, and the principles of transformation inherent in the design of sensors for pressure, temperature and acceleration. It is noted that the integrated multi-sensor of physical quantities on the basis of MEMS technology differs by a number of positive characteristics compared to the pressure sensors, acceleration and temperature associated with the unique design and technological solutions.
Keywords: pressure sensor, MEMS accelerometer, temperature sensor, the MEMS-technology, integrated multi-sensor of physical quantities.
Колганов В. Н., Куприянов А. В., Маланин В. П., Пресняков М. Д. Малогабаритные вихретоковые датчики для бесконтактного измерения перемещений, вибраций, осевых и радиальных биений валов энергетических установок … 12
Рассмотрены вопросы построения вихретоковых датчиков с микропроцессорной системой коррекции температурных погрешностей по результатам измерения информативных параметров эквивалентной схемы замещения.
Ключевые слова: измерение перемещений, вихретоковые датчики, температурная погрешность, эквивалентная схема замещения, информативные параметры.
Kolganov V. N., Kuprijanov A. V., Malanin V. P., Presnjakov M. D. Compact eddy current sensors for non-contact measurement of displacements, vibrations, axial and radial rods’ motion variations for electric power plants
The questions of eddy current sensors design with microprocessor-based correction system for temperature errors correction based on measurement of information-bearing parameters of equivalent circuit.
Keywords: displacement measurement, eddy current sensors, temperature error, equivalent circuit, information-bearing parameters.
Дмитриенко А. Г., Трофимов А. Н., Трофимов А. А., Кирьянов В. Л. Математическая модель, расчет и оптимизация взаимоиндуктивных датчиков линейных перемещений … 16
Рассмотрена математическая модель взаимоиндуктивных датчиков линейных перемещений, разработанная на основе решения краевой электродинамической задачи взаимодействия однородного переменного поля с электромагнитным штоком.
Ключевые слова: датчик, математическая модель, перемещение, электромагнитное поле, чувствительный элемент.
Dmitrienko A. G., Trofimov A. N., Trofimov A. A., Kirjanov V. L. Arithmetic model, calculation and optimization of mutual inductive linear displacement transducers
Arithmetic model of mutual inductive linear displacement transducers is analyzed, this model serving as the basis for calculation scheme and this model being developed on the basis of solving the edge electrodynamic question of interaction between a homogeneous alternating field and an electromagnetic rod.
Keywords: transducer, arithmetic model, displacement, electromagnetic field, sensing element.
Белозубов Е. М., Дмитриенко А. Г., Исаков С. А. Датчики давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем для ракетной и авиационной техники … 19
Рассмотрены датчики давления на основе тонкопленочных нано-и микроэлектромеханических систем для ракетной и авиационной техники, в том числе с минимизированным влиянием нестационарных температур и виброускорений, расширенным диапазоном температур и улучшенными характеристиками.
Ключевые слова: тонкопленочный датчик давления, нано-и микроэлектромеханическая система, нестационарная температура, виброускорения.
Belozubov E. M., Dmitrienko A. G., Isakov S. A. Pressure sensors on the basis of nano- and microelectromechanical systems for rocket and aeronautical engineering
Pressure sensors on the basis of nano- and microelectromechanical systems for rocket and aeronautical engineering have been examined. These sensors with minimized influence of non-steady temperatures and vibratory accelerations, widened temperature range and enhanced characteristics have also been analyzed.
Keywords: thin-film pressure sensor, nano- and microelectromechanical system, non-steady temperature, vibratory acceleration.
Дмитриенко А. Г., Блинов А. В., Трофимов А. Н., Трофимов А. А. Анализ зависимости габаритно-массовых и метрологических характеристик растровых датчиков перемещений … 25
Проанализированы зависимости габаритно-массовых и метрологических характеристик взаимоиндуктивных растровых датчиков перемещений, предложен вариант построения датчика линейных перемещений, приведены примеры расчета основных конструктивных параметров датчика.
Ключевые слова: датчик, растровое сопряжение, чувствительный элемент, перемещение, шток.
Dmitrienko A. G., Blinov A. V., Trofimov A. N., Trofimov A. A. Analysis of weight dimension and metrological characteristics curve for raster displacement transducers
Weight dimension and metrological characteristics curves of mutual inductive raster displacement transducers have been analyzed. Design modification for a linear displacement transducer has been offered, calculation examples of sensor’s basic design data have been given.
Keywords: transducer, raster matching, sensing element displacement, rod.
Кирьянов В. Л., Колганов В. Н., Конаков Н. Д., Куприянов А. В. Датчики частоты вращения для изделий ракетно-космической техники … 28
Разработан ряд бесконтактных датчиков частоты вращения на основе различных методов преобразования. Рассмотрены датчики частоты вращения индукционного и гальваномагнитного типа, приведены их основные технические характеристики и отличительные особенности. Представлены новые разработки волоконно-оптических датчиков частоты вращения отражательного типа и датчиков на базе магнитооптических феррит-гранатовых структур, приведены конструкции первичных преобразователей.
Ключевые слова: датчик частоты вращения, индукционный датчик, гальваномагнитный датчик, волоконно-оптический датчик отражательного типа, эффект Фарадея, магнитооптический датчик, феррит-гранатовая структура.
Kir'yanov V. L., Kolganov V. N., Konakov N. D., Kupriyanov A. V. Speed-of-rotation transducers for space-and-rocket engineering
Several contactless speed-of-rotation transducers with the usage of different transfiguration methods have been developed. Speed-of-rotation transducers of inductive and galvano-magnetic type have been discussed; their main operational performances and differential characteristics have been given. New designs for optical-fiber speed-of-rotation transducers of reflection type and sensors on the basis of magneto-optical ferrit-garnet structures have been presented, primary transducers designs have also been given.
Keywords: speed-of-rotation transducer, variable inductance transducer, galvano-magnetic sensor, optical-fiber transducer of reflection type, Faraday effect, magneto-optic transducer, ferrit-garnet structure.
Мусаев Р. Ш., Фролов М. А. Расчет чувствительного элемента датчика абсолютного давления методом конечных элементов … 32
Представлен расчет чувствительного элемента датчика абсолютного давления методом конечных элементов с применением модуля Simulation программного обеспечения SolidWorks. Результаты расчета в виде значений относительной деформации позволили получить оптимальные толщины балок. Результаты моделирования были экспериментально апробированы и подтверждены.
Ключевые слова: датчик, чувствительный элемент, давление, моделирование, метод конечных элементов.
Musaev R.Sh., Frolov M.A. Calculation of sensing element of absolute pressure sensor by finite elements method
The calculation of sensing element of absolute pressure sensor by finite elements method with using of “Simulation” module of SolidWorks software package is presented. Calculation results in the form of relative deformation values allow obtaining of optimal thickness of girders. Simulation results were experimentally tested and confirmed.
Keywords: sensor, sensitive element, pressure, simulation, finite elements method.
СИСТЕМЫ И НОРМАЛИЗУЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Дмитриенко А. Г., Блинов А. В., Папко А. А. и др. Системы сейсмомониторинга и антисейсмической аварийной защиты реакторной установки АЭС удаленного конфигурирования … 34
Представлены две концепции построения систем сейсмомониторинга и антисейсмической аварийной защиты реакторных установок, основанные на применении прецизионных акселерометров уравновешивающего преобразования разработки и производства ОАО “НИИФИ”, прошедших значительную натурную отработку на изделиях РКТ. Рассмотрены пути повышения наработки до отказа с использованием автоматической самодиагностики на протяжении всего жизненного цикла сейсмодатчиков, а также особенности построения систем удаленного конфигурирования.
Ключевые слова: сейсмомониторинг, аварийная защита, предупредительная защита, полевая сейсмостанция, фундамент реакторной установки, реакторная установка, базовая радиостанция.
Dmitrienko A. G., Blinov A. V., Papko A. A., et al. Seismic monitoring and emergency protection systems for NPP reactor facilities with remote configuration
Two concepts for the design of seismic monitoring and emergency protection systems for reactor facilities have been given. These concepts are based on the usage of micrometric accelerometers of counterbalance transduction, which have been designed and manufactured in “NIIFI”, JSC and have had full-scaled optimization at the items of space-and-rocket engineering. Different ways to increase time to failure by using automatic self-test during the whole seismometers life-cycle, and also different peculiarities of system integration for systems with remote configuration have been analyzed.
Keywords: seismo-monitoring, emergency protection, warning protection, field seismic recording system, reactor facility foundation, reactor facility, radio base station.
Новиков В. Н., Федулеева М. В. Распределенные измерительные системы на основе сетевых технологий … 38
Рассмотрено применение современных сетевых технологий при создании измерительных систем. Сформулированы основные требования к распределенным измерительным системам. На их основе определены состав и структура измерительных систем в нескольких аспектах применения сетевых технологий.
Ключевые слова: распределенные измерительные системы, мониторинг сложных технических объектов, удаленный доступ к данным, Grid-технология.
Novikov V. N., Feduleyeva M. V. The distributed measuring systems on the base network technology
Modern network technology application to development of the measuring systems is considered. The basic requirements to the distributed measuring systems are formulated. On their basis the composition and structure of measuring systems in several aspects of network technology application are defined.
Keywords: the distributed measuring systems, monitoring of difficult technical objects, remote access to the data, Grid-technology.
Ульянин Н. С., Тужилкин О. В. Применение нейронных сетей для повышения метрологических характеристик датчиков при измерении динамических процессов … 41
Обсуждается возможность использования нейронной сети в датчиках измерения физических параметров. Решены задачи аппроксимации и температурной компенсации нелинейной передаточной функции чувствительного элемента на основе нейронной сети.
Ключевые слова: метрологические характеристики, нейронные сети, аппроксимация, компенсация температурной погрешности, обучение нейронной сети, техническая реализация.
Ul’yanin N. S., Tuzhilkin O. V. Use of neural networks for an increase of metrological characteristics of sensors in the time of measurements of dynamical processes
Possibility of use of a neural network in sensors of physical parameters is considered. Problems of approximation and temperature compensation of nonlinear transmitting function of a sensitive element on the basis of a neural network are solved.
Keywords: improvement metrological characteristics, neuro networks, approximation, temperature error compensation, training neuro network, technical implementation.
Дмитриенко А. Г., Блинов А. В., Исаков С. А. и др. Интеграция беспроводных датчиков в измерительную сеть … 44
Рассмотрен вопрос об интеграции беспроводных датчиков в измерительную сеть, позволяющей избавиться от кабельного подключения. Достоинствами беспроводной измерительной сети являются высокая скорость развертывания, гибкость и надежность. Энергия для питания беспроводных датчиков может быть получена от внешних физических процессов: энергии акустических волн, энергии от пьезоэлемента, температуры и светового излучения.
Ключевые слова: беспроводные датчики, измерительные системы, измерительная сеть, скорость развертывания, испытания ракетных двигателей, питание от энергии процессов измерения.
Dmitrienko A. G., Blinov A. V., Isakov S. A., et al. The integration of wireless gauges in a measuring network
The integration of wireless gauges in a measuring network allows to get rid of connecting cables. Positive features of a wireless measuring network - high speed of expansion, flexibility and reliability. Power supplies of wireless gauges can be carried out from processes of measurement – energy of acoustic radiation, energy from piezoelement, thermal energy, and light radiation.
Keywords: wireless gauges, measurement systems, speed of expansion, testing of rocket engine, power supplies from processes of measurement
Катков А. Н., Новиков В. Н. Структура системы диагностики двигательной установки для огневых и стендовых испытаний … 47
Изложена структура интеллектуальной системы мониторинга двигательной установки, показаны преимущества использования интеллектуальных датчиков.
Ключевые слова: информационно-измерительные системы, стендовые испытания, мониторинг.
Katkov A. N., Novikov V. N. Diagnostic system structure of the propulsion system for fire and bench tests
The structure of the intelligence monitoring system is given; the advantages of smart sensor usage are shown.
Keywords: data measurement system, bench tests, monitoring.
Новиков В. Н. Инвариантные преобразователи перемещений с переменной структурой измерительных цепей … 48
Описан структурно-алгоритмический метод повышения стабильности высокотемпературных датчиков перемещений на основе инвариантного принципа. Получены новые функции аппроксимации и их аналитические преобразования, приводящие к инвариантности передаточной функции по отношению к температуре и параметрам питания датчика. Приведены экспериментальные результаты.
Ключевые слова: измерительные преобразователи, дифференциально-трансформаторные датчики перемещений, инвариантность функции преобразования.
Novikov V. N. Invariable displacement transducers with graded structure of metering circuits
Structural-algorithmic approach for reliability increasing of high-temperature displacement transducers on the basis of invariable approach has been described. New approximation functions and their analytic transformations leading to the invariance of transfer function relative to temperature and sensor power characteristics have been obtained. Experimental results have been given.
Keywords: measuring transducers, differential transformer displacement transducers, transducer function invariance.
Горбунов С. Ф., Маланин В. П., Новиков В. Н., Тюленев П. В. Нормирующие измерительные преобразователи для датчиков физических величин … 51
Рассмотрены цифровые нормирующие преобразователи для мостовых тензометрических датчиков, даны их характеристики и особенности. Представлен прибор АИМ для сбора и обработки телеметрических данных с цифровых датчиков и приборов. Данные преобразователи подходят как для применения в составе бортовых систем измерения, так и для наземной отработки образцов ракетно-космической техники и техники промышленного назначения.
Ключевые слова: нормирующие преобразователи, мостовые датчики, цифровые интерфейсы, ПЛИС, Space Wire, ARINC-429, MIL-STD 1553B.
Gorbunov S. F., Malanin V. P., Novikov V. N., Tyulenev P. V. Measurement signal conditioning converters for sensors
Modern signal conditioning converters for bridge strain-gage sensors designed in JSC “NIIFI” are described in this article. Their features and behaviors are explained. “AIM” unit for data acquisition and processing of telemetry data from digital sensors and devices are also described.
Keywords: the presented converters are suitable for use in the on-board measurement systems or for ground-based investigation of rocket-space, industrial equipment and vehicles.
Цыпин Б. В., Федулеева М. В. Блок сжатия данных в составе измерительной системы диагностики космического аппарата … 55
Предложена структура построения блока сбора и обработки информации с функцией сжатия. Описан принцип сбора и передачи информации с применением алгоритмов сжатия данных на основе дискретного вейвлет-преобразования. Проведено исследование основных характеристик предложенной структуры.
Ключевые слова: сжатие данных, дискретное вейвлет-преобразование, система диагностики.
Tsypin B. V., Feduleyeva M. V. The data compression block as a part of measuring system of spacecraft diagnostics
The structure construction data gathering and processing block with compression function is offered. The principle of data gathering and transfer with application of data compression algorithms on the basis of discrete wavelet transform is described. Research of the offered structure main characteristics is conducted.
Keywords: data compression, discrete wavelet-transform, diagnostics system.
Пена Д. В., Чернов М. В., Тюрин М. В. и др. Применение микроконтроллеров в современных бортовых измерительных системах … 58
Показано преимущество применения микроконтроллеров в современных бортовых измерительных системах на примере продукции, изготавливаемой ОАО “НИИФИ”.
Ключевые слова: микроконтроллер, преобразователь, схема, сигнал, узел, элемент, канал, аналог, информация.
Pena D. V., Chernov M. V., Tjurin M. V., et al. Microcontrollers usage in up-to-date onboard measurement systems
The advantage of microcontrollers usage in up-to-date onboard measurement systems is shown through the example of “NIIFI”, JSC products.
Keywords: microcontroller, transducer, circuit, signal, unit, element, channel, analogue, data.
Тюрин М. В., Пена Д. В., Вязьмитинов Д. Д. и др. Использование измерительной системы абсолютного давления в контуре управления пневмогидравлическими системами …61
Приведено описание измерительной системы абсолютного давления. Определен состав системы. Описаны преимущества двухпроводной токовой связи. Описана диагностика работы функциональных датчиков. Приведены технические характеристики системы.
Ключевые слова: измерительная система, абсолютное давление, контур управления, пневмогидравлическая система, функциональный датчик, преобразователь.
Tjurin M. V., Pena D. V., Vjazmitinov D. D., et al. Usage of absolute pressure measuring system in control loop of air-assisted hydraulic systems
Description of absolute pressure measuring system is given. System structure is outlined. The advantages of two-conductor current coupling have been presented. Operating diagnostic of functional sensors has been described. System performance specifications have been given.
Keywords: measuring system, absolute pressure, control loop, air-assisted hydraulic system, functional sensor, transducer.
* * *
Урманов Д. М. Концепция развития производства МЭМС-изделий в России на период до 2017 г. … 65
Представлена концепция развития производства МЭМС-изделий в России на период до 2017 г. Она отображает современные представления о действиях, которые необходимо предпринять для создания современного отечественного производства МЭМС-изделий, и включает шесть этапов, от разработки и моделирования до организации серийного производства.
Ключевые слова: микроэлектромеханические системы, МЭМС, концепция развития, инерциальные датчики, энергосбережение.
Urmanov D. M. Conception of the development of MEMS products manufacturing in Russia for the period till 2017
Conception of the development of MEMS products manufacturing in Russia for the period till 2017 is presented in this paper. It represents current ideas about actions which should be realized for the creation of modern domestic manufacturing of MEMS products and it includes six stages from design and simulation to organization of large-scale production.
Keywords: microelectromechanical systems, MEMS, conception of the development, inertial sensors, energy savings.
* * *
CONTENTS AND ABSTRACTS … 71