1.5 Аналіз технічного завдання та шляхи вдосконалення систем вимірювання ультрафіолетового випромінювання

Проведений вище аналіз стану вимірювань ультрафіолетового випромінювання показав, що:

1. Найбільш перспективні сенсори ультрафіолетового випромінювання – напівпровідникові фотодіоди – мають великий розкид параметрів (до 25 … 30 %). Однак перехід до індивідуальної функції перетворення (стандартний метод підвищення точності вимірювання при великому розкиді параметрів одного з компонентів вимірювального каналу) не дає великого ефекту через великий температурний коефіцієнт вихідного струму фотодіодів (0,1 … 0,15 % / °С), що в діапазоні вимірювання 0 … 50 °С дасть похибку вимірювання до 7,5 %.

2. Корекція температурної похибки напівпровідникових фотодіодів також не дає значного підвищення точності вимірювання ультрафіолетового випромінювання через те, що:

   1. температурний коефіцієнт функції перетворення напівпровідникових фотодіодів залежить від вимірюваної освітленості;

   2. корекцію треба вести за температурою самого кристалу напівпровідникових фотодіодів через те, що вимірюваний світловий потік нагріває саме кристал напівпровідникового фотодіода.

3. Фірми-виробники інформаційно-вимірювальних систем на базі напівпровідникових фотодіодів помітили неефективність корекції температурної похибки сенсорів, тому багато з них віддають перевагу не корекції, а термостатуванню напівпровідникових фотодіодів. В такому випадку вказана в п. 2.1 даного переліку похибка від залежності температурного коефіцієнта функції перетворення напівпровідникових фотодіодів від вимірюваної освітленості не проявляє себе. Однак повністю проявляє себе температурна похибка від різниці температури кристалу напівпровідникових фотодіодів та температури термостатування (вказана в п. 2.2 даного переліку).

4. Вимірювальні схеми приладів та інформаційно-вимірювальних систем вимірювання ультрафіолетового випромінювання (див. рисунок 1.1) на сьогодні підтримують дві тенденції:

   1. є спрощеними – не забезпечують режиму короткого замикання напівпровідникових фотодіодів (який вимагають такі сенсори). Часто в таких системах використовують вимірювання спаду напруги на низькоомному шунті, вважаючи, що інші складові похибки є більшими або співмірними з додатковою похибкою від невиконання вимог щодо режиму роботи напівпровідникових фотодіодів;

   2. є дуже складними (наприклад, див. Додаток А). Такі вимірювальні схеми забезпечують режим короткого замикання напівпровідникових фотодіодів, але вимагають значних постійних затрат на виготовлення приладів та інформаційно-вимірювальних систем вимірювання ультрафіолетового випромінювання.

5. Методи оброблення сигналів напівпровідникових фотодіодів не є досконалими. Як було показано вище, для підвищення точності вимірювання ультрафіолетового випромінювання доцільно розглядати напівпровідникові фотодіоди як багатопараметричні (двопараметричні) сенсори. Існуючі методи розпізнавання їх сигналів не забезпечують стабільну роботу в умовах значних відхилень функції перетворення від номінальної.

6. Нейромережеві методи розпізнавання вхідних фізичних величин багатопараметричних сенсорів є, ймовірно, найбільш пристосовані до оброблення сигналів напівпровідникових фотодіодів. Однак для побудови індивідуальної функції перетворення багатопараметричних сенсорів вони вимагають достатньо багатьох результатів визначення дійсної функції перетворення кожного сенсора.

7. Відомі методи підвищення точності вимірювання ультрафіолетового випромінювання шляхом переходу до індивідуальної функції перетворення напівпровідникових фотодіодів однозначно виключають можливість взаємозамінності сенсорів. А це створює значні незручності при експлуатації приладів та інформаційно-вимірювальних систем вимірювання ультрафіолетового випромінювання, а також при їх ремонті.

Таким чином, склалася ситуація, при якій виробники приладів та інформаційно-вимірювальних систем вимірювання ультрафіолетового випромінювання не вдосконалюють ці прилади та системи, посилаючись на недосконалість іншої частини вимірювального каналу – сенсорів (напівпровідникових фотодіодів). В свою чергу виробники напівпровідникових фотодіодів не розробляють нові методи корекції похибок напівпровідникових фотодіодів, бо недосконалість приладів та інформаційно-вимірювальних систем вимірювання ультрафіолетового випромінювання не приведе до значного підвищення точності вимірювання.

Метою даної дипломної роботи є розроблення високоякісного апаратного забезпечення приладів та інформаційно-вимірювальних систем вимірювання ультрафіолетового випромінювання за допомогою напівпровідникових фотодіодів та створення, на базі підходу до напівпровідникових фотодіодів як до багатопараметричних сенсорів, методів оброблення результатів вимірювання сигналів напівпровідникових фотодіодів, які забезпечили би одночасно високу точність вимірювання ультрафіолетового випромінювання за рахунок переходу до індивідуальних функцій перетворення напівпровідникових фотодіодів та взаємозамінність сенсорів.

Для цього слід:

1. розробити вимірювальну схему для вимірювання ультрафіолетового випромінювання за допомогою напівпровідникових фотодіодів, яка була би одночасно значно простішою за існуючі;

2. розробити структуру інформаційно-вимірювальної системи вимірювання ультрафіолетового випромінювання за допомогою напівпровідникових фотодіодів та її принципову схему;

3. розробити методику отримання результату вимірювання сигналу, яка базувалася би на підході до напівпровідникових фотодіодів як до багатопараметричних сенсорів;

4. створити метод значного скорочення кількості дійсно необхідних результатів визначення дійсного значення вихідного сигналу напівпровідникових фотодіодів (точок їх повірки) для відтворення індивідуальної функції перетворення напівпровідникових фотодіодів за рахунок нейромережевого прогнозу результатів не проведених повірок;

5. створити метод забезпечення взаємозамінності сенсорів (напівпровідникових фотодіодів) на основі розділення корекції похибок різних компонентів вимірювального каналу інформаційно-вимірювальних систем вимірювання ультрафіолетового випромінювання.

Вирішення перелічених вище задач дасть змогу досягнути мету даної дипломної роботи.