Требования к системам датчиков в интеллектуальных структурах. Полная характеризация контролируемой структуры только с помощью сети сенсоров невозможна.
Действительно, в любой измерительной системе всегда имеется шум. Ошибки могут быть уменьшены, если использовать фильтры или усреднять результаты большого количества измерений. Однако полностью избавиться от них нельзя. Кроме того, неизбежно появляется проблема обработки огромного количества данных. В идеале объем получаемых данных должен адекватно описывать контролируемые параметры во всех частях геометрически сложной структуры; кроме того, их должно быть достаточно для создания удовлетворительной модели системы.
Однако с усложнением системы быстро растет объем информации, особенно если следить за изменением величины сигнала во времени. Так, для записи данных о поведении конструкции небольшого самолета в течение лишь одной секунды необходим объем нескольких СD-RОМов. Даже если бы это было реально, проанализировать столько информации вряд ли возможно. Кроме того, такая система датчиков имела бы значительный вес и потребляла много энергии.
Таким образом, мы должны создать систему сенсоров, удовлетворяющую некоторым минимальным требованиям. Процесс анализа информации можно разделить на две стадии. Для начала нужно установить, надежен ли результат измерения и не противоречит ли он некоторым критериям оценки точности. Вторая стадия состоит в определении величины внешнего воздействия и принятия решения, нужно ли на него реагировать. Для этого, во-первых, необходимо иметь систему реагирования.
Во-вторых, необходимо измерять следующие виды воздействия: - механические нагрузки; - тепловое воздействие, связанное с изменением температуры. Оно может инициировать появление механических напряжений и вести к изменению механической прочности; - химическое воздействие, связанное и изменением рН среды, утечкой химически активных веществ, присутствием воды и т.д. Во всех случаях система должна адекватно реагировать, что схематически иллюстрируется на рис.2. Технические требования к точности изменений определяются довольно просто. Обычно измерения удлинения с точностью 10 мк и температуры с точностью до десятой доли градуса Цельсия вполне достаточно, поскольку типичные значения удлинения равны нескольким миллиметрам, а рабочий диапазон температур лежит в пределах от - 50 до +150°С. Имеются, конечно, и исключения, как в случае газовых турбин и нефтяных скважин.
В таких случаях пределы измерений и их точность устанавливаются индивидуально. Но обычно подходит стандартный диапазон температур.
Есть и еще один момент, связанный с продолжительностью контроля конструкции и, соответственно, продолжительностью измерений. Здесь различия могут быть огромными. Некоторые конструкции, например корпуса ракет, функционируют лишь несколько минут.д.ругие же конструкции должны работать десятилетия. Помимо измерения механических нагрузок, необходимо контролировать степень изношенности конструкции. Такие испытания должны проводиться при отсутствии каких-либо нагрузок, в том числе и температурных.
Измерения нужно проводить при фиксированной температуре, или, по крайней мере, ее изменение должно быть учтено. Соответственно, измеряться должны как чисто механические напряжения, так и тепловые эффекты. В последние годы был достигнут значительный прогресс в развитии систем измерения и анализа механических параметров, но совершенствование самих сенсоров и методов их включения в контролируемые структуры необходимо продолжать. Иная ситуация наблюдается в области контроля химических воздействий.
Это связано с тем, что большинство химических реакций необратимо, и поэтому результаты измерений постоянно изменяются (рис.2.3). Биологические системы справляются с этой проблемой путем непрерывной регенерации сенсорных клеток, но их искусственные аналоги еще не изобретены. Реагенты быстро загрязняются и требуют замены, поскольку в противном случае полученные результаты будут неточными. Скорость химических реакций очень чувствительна к изменению температуры.
Эти проблемы еще не решены, и поэтому в дальнейшем мы сосредоточимся на контроле физических, а не химических воздействий. 1.3. Датчики 2.3.1.