The study of electro-optical and optical-electronic systems of motor vehicles

Full Text

Развитие систем электрооборудования автотранспортных средств в настоящее время и в перспективе включают, с одной стороны, прогнозируемое расширение функциональных возможностей и усложнение структуры, а с другой стороны, упрощение использования и обслуживания. Обе эти тенденции реализуются на основе применения устройств, построенных на базе современных достижений в различных областях техники технологии. Раздел технической оптики, касающийся автотранспортных средств, называемый автомобильной оптикой или автооптикой, традиционно включающий электрооптические устройства – системы освещения и сигнализации, активно дополняется оптико-электронными устройствами, которые регистрируют и обрабатывают информацию о внешней обстановке и внутреннем состоянии транспортного средства в виде оптических сигналов, преобразуемых в электрические. К таким оптико-электронным устройствам относятся оптические и волоконно-оптические датчики и преобразователи, устройства локального позиционирования и пространственного контроля, видеорегистраторы и т.п. Все перечисленные электрооптические и оптико-электронные устройства уже присутствуют в составе современных электромеханических комплексов транспортных средств, и в дальнейшем их количество, очевидно, будет возрастать, а возможности расширятся. Таким образом, задача исследования параметров и характеристик электрооптических и оптико-электронных элементов, устройств на их основе и их функционирование в едином электромеханическом комплексе автотранспортного средства является приоритетной задачей в научной, промышленной и образовательной перспективе. Системы освещения и сигнализации занимают особое место в электрооборудовании автотранспортных средств как определяющие безопасность, так и потребляющие заметную часть электрической мощности [1]. Соответствующие нормы на светотехнические характеристики элементов и устройств систем освещения и сигнализации определяются и регламентируются требованиями безопасности и существующими условиями эксплуатации. С другой стороны, доля в электроэнергетическом балансе транспортных средств системы освещения и сигнализации, достигающая 40%, требует использования экономичных элементов и устройств, а также реализации оптимальных режимов работы, что является предпосылками для разработки новых методов, методик исследования и экспериментальных установок. Согласно требованиям стандартов и правилами ЕЭК ООН (WT29) системы освещения и сигнализации транспортных средств включают фары дальнего и ближнего света, противотуманные фары, светосигнальные приборы, приборы освещения и подсветки [2]. Перспективны для использования в этих устройствах в качестве источников света мощные (сверхяркие) светодиоды [3]. Сравнение характеристик светодиодных источников, газоразрядных, люминесцентных устройств и ламп накаливания показывает несомненные преимущества первых, включающих высокую светоотдачу и цветопередачу, малое энергопотребление, возможность изменения спектральных характеристик излучения, безынерционность, механическую прочность, надежность, экологичность, многократное повышение срока службы, расширение возможностей управления выходными параметрами. Для реализации последнего преимущества в настоящее время разрабатываются адаптивные системы освещения, основанные на использовании электронных модулей – драйверов, встраиваемых в светодиодную лампу или располагаемых отдельно, представляющие собой управляемое устройство электрического питания светодиода или кластера светодиодов и через этот канал изменяющие его выходные световые параметры [3]. Другой вариант адаптивной системы освещения обеспечивает изменение параметров проецирования светового пучка поворотом фар в нескольких плоскостях или за счёт изменения взаимного расположения отдельных внутренних элементов оптической системы. При этом формирование светового пучка зависит от положения автомобиля на дороге, его скорости, крена и т.д. и определятся системой, в состав которой входят датчики, преобразователи сигнала, микроконтроллер, устройство управления исполнительным механизмом, исполнительный механизм [4]. Принцип действия этой системы основан на перемещении оптической линзы вдоль оптической оси для изменения расстояния между линзой и источником света и наклоне линзы относительно оптической оси источника в двух плоскостях посредством шагового двухкоординатного двигателя. Движение линзы отдельно от источника света снижает инерционность системы из-за уменьшения массы движущегося элемента и позволяет плавно изменять геометрию светового потока. Одним из возможных путей дальнейшего развития адаптивных систем освещения может быть использование дифракционной оптики. Традиционные осветительные системы автомобилей включают рефлекторные элементы (зеркальные отражающие поверхности различной формы), рефракторные элементы (линзы и призмы). Дифракционные оптические элементы (линзы Френеля, голографические элементы), имеющие практически те же возможности, что и рефлекторные и рефракторные элементы, обладают дополнительными уникальными свойствами. Дифракционный элемент представляет собой плоскую пластину малой по сравнению с её поперечным размером толщины и имеет мелкомасштабный рельеф или такую же мелкомасштабную объёмную структуру с характерным размером, сопоставимым с длиной волны света. Современные технологии позволяют формировать такие элементы не только из стекла, но и из пластмасс, в том числе и стандартными для пластмассовых изделий способами. Линза Френеля по сравнению со стеклянной линзой имеет меньший вес, больший диаметр, увеличенную светосилу (отношение диаметра к фокусному расстоянию). Поэтому если предложенной в [4] адаптивной системе заменить перемещающуюся и наклоняемую линзу на дифракционный элемент, система приобретёт дополнительные возможности, за счёт которых могут быть обеспечены любые диаграммы светового распределения, узконаправленные, овальные и эллиптические световые пучки, в том числе и с произвольным профилем распределения света по сечению пучка. Для исследования дифракционных элементов создана и испытана экспериментальная установка, включающая стандартные элементы оптической скамьи ОСК-2. Схема экспериментальной установки и её фотография представлены на рисунке 1. Рисунок 1. Экспериментальная установка: 1 – источник света со сменными светофильтрами; 2 – коллиматор; 3, 4 – дифракционные элементы – линзы Френеля; 5 – измерительный микроскоп с фоторегистратором; 6 – система регистрации и обработки информации С использованием этой экспериментальной установки регистрируются и исследуются светотехнические параметры осветительной системы, в том числе оснащенной дифракционными элементами, что необходимо для разработки элементов и устройств с улучшенными характеристиками для современных автотранспортных средств, в том числе автомобильных фар головного света с адаптивной противоослепляющей системой. Суть этой системы заключена в отслеживании специальным устройством встречных и попутных автомобилей и формировании пучка света так, чтобы не ослеплять других водителей. Она может состоять из неподвижной фары дальнего света и моторизированной фары ближнего, которая управляется специальным микроконтроллером. Кроме того, в конструкции фары используется специальная шторка, формирующая тень на встречные объекты. С помощью описанной экспериментальной установки была исследована оптическая схема для системы освещения, включающая два дифракционных элемента. Были изучены оптические характеристики как отдельных дифракционных элементов, так и их совместное применение. Рисунок 2. Макет ВОД: 1 – блок освещения и регистрации; 2 – полупроводниковый лазер; 3 – фотоприёмник; 4 – оптическое волокно; 5 – волоконно-оптический датчик; 6 – исследуемая жидкость; 7 – устройство регистрации и обработки информации. Среди различных датчиков, используемых в устройствах контроля и управления автотранспортных систем, оптические датчики, построенные на регистрации характеристик оптического излучения, которое несёт информацию о контролируемом объекте, выделяются высокой информативностью, безынерционностью, отсутствием воздействия на измеряемый объект. Волоконно-оптические датчики (ВОД) [5], в которых преобразователем или передающим световое излучение элементом является оптическое волокно, сохраняя все преимущества оптических датчиков, дополнительно обеспечивают высокую локальность измеряемой области и безопасность, так как в измеряемой области нет токоведущих частей. В настоящее время разработаны и используются в различных областях техники волоконно-оптические датчики уровня жидкости, температуры среды, концентрации компонентов, дисперсного состава гетерогенной топливно-воздушной среды и т.п. Возможными вариантами применения ВОД на автотранспортных средствах является локальный контроль состава топлива или уровня загрязнения масла. Схема макета ВОД и экспериментальной установки для исследования возможности его применения для автотранспортных средств показана на рисунке 2. Рисунок 3. Макет установки для лазерного зажигания: 1 – лазер с системой управления; 2, 3 – зеркало; 4 – оптическая камера; 5 измеритель энергии лазерного излучения; 6 – линза; 7 – оптическое волокно; 8 – оптический процессор; 9 – система обработки и регистрации информации; 10 – система подачи газовой смеси; 11 – системы отвода и анализа продуктов Работоспособность макета волоконно-оптического датчика была проверена на системе жидкость-газ при фазовом переходе и показала возможность определения фазового состава. Особым случаем для автотранспортных систем, представляющим собой соединение электрооптических и оптико-электронных принципов в одном устройстве, является использование лазерного зажигания в ДВС. Комплекс явлений, включающих механизм оптического пробоя и лавинной ионизации в точке фокусировки, а также поглощение световой энергии лазерного излучения, сопровождающегося значительным ростом температуры, давления и образования ударной волны, рассмотрены в [6]. Приведены результаты сравнительных исследований лазерного и искрового зажигания, выполненные как в условиях функционирования ДВС, так и в модельных установках. В зоне плазменного очага зажигания образуются и диффундируют в свежую смесь огромные концентрации химически активных частиц – атомов и радикалов, инициирующих формирование и быстрое распространение начального очага пламени. Основными достоинствами лазерного зажигания в сравнении с искровым являются снижение тепловых потерь, влияние турбулизации смеси на воспламенение и формирование очага пламени в начальной фазе процесса сгорания, что должно привести к повышению энергоэффективности и снижению выбросов. Макет установки для лазерного зажигания (рисунок 3) был использован для исследования гетерогенного зажигания и установлено существование двух режимов – поверхностного и объёмного. Определены параметры процесса, влияющие на реализацию этих режимов. Для сбора и анализа данных целесообразно использовать компьютерную технику. Анализ имеющихся на рынке SCADA-систем (OPM, Trace Mode, LabVIEW, ClearSCADA и т.д.) показал, что большинство из них либо не может обеспечить требуемой функциональности (работа с сигналами с высокой частотой опроса, возможности программирования блоков моделирования, нестандартной обработки сигналов, удобной визуализации и т.д.), либо требует больших трудозатрат на программирование и настройку. Для исследовательских целей нами была выбрана LabVIEW 8.5, которая вполне справляется с требуемыми задачами [7]. Использование разработанной в среде LabVIEW 8.5 программы позволяет, помимо прочего, уменьшить потери информации, связанной с округлением чисел, т.к. данные обрабатываются программой при съеме с датчиков, а не при выводе на дисплей; организовать удобную визуализацию получаемых данных и более удобное их восприятие; экономить временя студентов и преподавателей, связанных с составлением отчета о проведенной лабораторной работе.

About the authors

G. A. Kardashev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr.Eng., Prof.; (499) 267-07-36

D. V. Zubov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.; (499) 267-07-36

S. P. Karlov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: karlovsp@yandex.ru
Ph.D.; (499) 267-07-36

References

Supplementary files