автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Амплитудные волоконно-оптические датчики для информационно-измерительных систем

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз. № Л '_

МУРАШКИНА ТАТЬЯНА ИВАНОВНА

АМПЛИТУДНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные

системы (приборостроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пенза - 2000

Работа выполнена в Пензенском государственном университете

Официальные оппоненты: д. т. н., профессор Богомолов А. И.

д. т. н., профессор Куликовский К. Л. д. т. н., профессор Малков Я. В.

Ведущая организация - Ракетно-космическая корпорация

"Энергия" им. С.П. Королева (г. Королев Московской обл.)

Защита состоится "/6 " // 2000 г. в /часов на заседании диссертационного совета Д.063.18.01 в Пензенском государственном университете по адресу: 440060, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета

Автореферат разослан

Ученый секретарь совета к.т.н., доцент

У4К.03 -г,Ш А - п1, О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В России ведутся интенсивные разработки в области создания внутриобъектовых волоконно-онтических сетей сбора данных (ВОССД), обеспечивающих более эффективное использование информации о состоянии объекта в сравнении с традиционными информационно-измерительными системами (ИИС) в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и повышенной искро- взрывоопасное™ так как используют в качестве передающей физической среды оптические волокна (OB). Внутриобъектовые ВОССД базируются на линиях небольшой протяженности (в несколько десятков метров) и представляют интерес при передаче информации на кораблях, самолетах, электростанциях, коммуникационно-распределительных узлах энергосистем. Наиболее перспективно внедрение ВОССД на объектах ракетно-космической техники (РКТ), авиационной, морской, наземной военной техники (ВВТ), где особенно высоки требования по искро- взрывобезопасиости.

Внедрение ВОССД позволит решить задачу дальнейшего уменьшения веса (почти в 2 раза) измерительных средств и кабельных сетей на борту космических аппаратов (КА) и ракет-носителей. Совершенствование существующих электрических ИИС не ведет к решению данной проблемы, так как их резервы в части снижения веса практически исчерпаны.

ВОССД выполняет функции не только передачи, но и получения измерительной информации, поэтому в структуре такой системы обязательно наличие ВОД. В настоящее время серийно изготавливаемые ВОД для изделий РКТ и ВВТ практически отсутствуют. Существующие ВОД не имеют единой методологии построения, чаще всего рассчитаны на работу в лабораторных условиях и неработоспособны при воздействии жестких внешних влияющих факторов (ВВФ) РКТ. Отсутствуют информационная, параметрическая и конструктивная совместимость ВОД с ВОССД. Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы их разработок являются сдерживающим фактором в создании и внедрении ВОССД, поэтому создание отечественных ВОД как основных компонентов ВОССД с метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающими условиям и требованиям РКТ, является актуальной задачей.

В этой связи можно говорить о необходимости формирования самостоятельного научно-технического направления, содержанием которого должна являться разработка на единой методологической основе ряда унифицированных базовых технических решений ВОД с повышенными метрологическими (MX) и эксплуатационными характеристиками (ЭХ).

Основные теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами многих отечественных ученых: В.И. Бусурина, М.М. Бутусова, В.М. Гречишникова, И.И. Гроднева, Е.А. Зака, В.Г. Жилина, Б.А.Красюка, Н.Е. Конюхова, Я.В. Малкова, Ю.Р.Носова, A.JI. Патлаха,

В.Т. Потапова, Д.К.Саттарова и других. В то же время большинство известных публикаций посвящено исследованию принципов построения или созданию узкоспециализированных ВОД. Многие технические решения реализованы только на функциональном уровне. В научно-технической литературе слабо отражены особенности проектирования ВОД для изделий, эксплуатируемых в условиях РКТ, а также вопросы, связанные с применением ВОД в качестве элементов внутриобъектовых ВОССД, соответственно не рассматриваются конструктивно-технологи-ческие особенности и не дается оценка их метрологических и эксплуатационных возможностей в данных условиях.

Цель и задачи исследований. ОСНОВНАЯ ЦЕЛЬ РАБОТЫ - научное обоснование, разработка единой методологии построения и создание банка унифицированных базовых конструкций амплитудных ВОД различных физических величин (ФВ) для ВОССД с метрологическими и экс-плуа тационными характеристиками, отвечающими требованиям РКТ.

Эта цель достигается решением следующих задач:

]) определением научных проблем создания ВОД для РКТ;

2) разработкой единой методологии построения ВОД, в основу которой предполагается закладывать не измеряемую физическую величину (ФВ) и пределы ее изменения (если решается узко сформулированная задача), а принципиальные особенности ВОД в целом;

3) разработкой предложений по составу общих технических требований (OTT) к ВОД и параметров сопряжения ВОД с ВОССД;

4) разработкой структурных, математических и метрологических моделей, алгоритмов преобразования сигналов амплитудных волоконно-оптических преобразователей (ВОП) и ВОД;

5) разработкой на единой принципиальной, конструктивной, технологической и метрологической основе типовых базовых решений физической реализации ВОП минимального номенклатурного состава, позволяющих при незначительной модификации на их основе создать гамму ВОД для измерения различных ФВ в различных условиях;

6) теоретическим анализом метрологических и эксплуатационных возможностей ВОД, применяемых в условиях РКТ; разработкой новых методов повышения точности измерений ВОД на основе компенсационного и дифференциального управления световым потоком (СП) в оптическом канале (OK);

7) проведением исследований и анализом технических возможностей экспериментальных образцов ВОД.

Методы исследований. При разработке математических и физических моделей ВОП и ВОД использовались основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, применялись методы математической физики, теории упругости, теории теплопередачи, прикладной механики. При решении задач по анализу и синтезу ВОП и ВОД использовались положения теории чувствительности, погрешностей, гармонического

анализа, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии, методы численного анализа, имитационное и статистическое моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов. Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями реальных образцов ВОД.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1 Разработана методика проектирования амплитудных ВОД для

воссд.

Стержнем теории, определившим особенности проектирования ВОД, явилось выделение ОК как объекта управления, на параметры которого направлены управляющие воздействия, обеспечивающие требуемые МХ и ЭХ ВОД и преемственность технических решений ВОД различных ФВ.

2 Предложен и теоретически обоснован новый подход к проектированию амплитудных ВОД, эксплуатируемых в условиях, характерных объектам РКТ, который предполагает отсутствие механических информативных и неинформативных изгибов волоконно-оптического кабеля (ВОК).

3 Разработаны алгоритмы управления СП, обеспечивающие требуемые энергетические соотношения и рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерении ОК, методы выбора управляющих устройств (УУ), схемы систем управления оптическим каналом.

4 Разработана методика определения и расчета основных параметров амплитудных ВОП и ВОД. Создана методическая база для расчета ВОП отражательного, аттенюаторного типов и на нарушении условия полного внутреннего отражения (ПВО) в оптических насадках: перемещения, положения, уровня и идентификации типа жидкости, частоты вращения, давления, ускорения, температуры.

Разработан метод энергетического расчета участка ВОССД с амплитудными ВОП с открытым ОК.

5 Разработана методика оценивания погрешностей амплитудных ВОД: получены основные аналитические выражения точностных характеристик ВОД, дана оценка влияния различных источников погрешностей на результат измерений. '

Впервые ВОК рассматривается как объект метрологической модели, влияющий на большинство метрологических характеристик ВОД.

6 Разработаны новые методы улучшения МХ ВОД:

- метод дифференциального управления световым потоком непосредственно в зоне измерений, позволяющий разрабатывать ВОД с заранее прогнозируемым вносимым затуханием, с требуемыми глубиной модуляции (ГМ) светового сигнала и чувствительностью преобразования (ЧП);

- метод взаимной компенсации неинформативных изменений параметров ОК при изменении температуры окружающей среды;

- амплитудно-фазовый способ преобразования сигналов с выхода ВОП, позволяющий снизить погрешность, обусловленную изменением энергетических параметров источников (ИИ) и приемников (ПИ) излучения, и линеаризовать выходную зависимость ВОД;

7 Разработаны новые конструктивно-технологические методы улучшения ЭХ ВОД, основанные на проведении мероприятий по защите потенциально ненадежных элементов конструкции ВОД.

8 На основе полученных обобщений и проведенных исследований OK, обеспечивающие требуемые MX и надежное функционирование ВОД в условиях эксплуатации, характерных объектам PKT.

Практическая значимость работы. Работа обобщает многолетние исследования и разработки, проведенные при непосредственном участии и научном руководстве автора в НИИ физических измерений (НИИФИ) г.Пензы и продолженные в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре "Приборостроение", и способствует решению крупной научно-технической проблемы создания амплитудных волоконно-оптических датчиков с повышенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для внедрения их в ВОССД систем PKT.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, "Программы оборонных НИР на 1996 - 2000 г.г.", "Комплексной программы НИР и ОКР по созданию средств измерений (СИ), контроля и диагностики для КА, испытательных центров наземной экспериментальной базы" на период до 2010г. (исх. № 210/-2226 от 26.11.96 г. РКА) в соответствии с тематическим планом НИИФИ по темам "Оптика-2", "Средства измерений", "Русь", а также госбюджетной НИР "ФАЗА." (№ ГР Ф28335), ОКР по дог. № 184-80 между НИИФИ и РКК "Энергия" г. Королев, дог. № 536-88 между ЦНИИМАШ г.Королев и НИИФИ, госкоптр. № 783-4821/93 от 30.04.93г. и доп. согл. № 3 от 01.03.94г. (НИР "Орех"), дог. № 211-93 с ГУ PICT (НИР "Универсал"), дог. № 225-93 от 22.04.93г. между НИИФИ и ЦНИИИ 22 МО РФ г. Мытищи Моск. обл. (НИР "Интерфейс-4", основание Постановление Правительства РФ от 16.12.92 г. № 980-66), контракта № 228-95 от 03.01.95г. между НИИФИ и ЦСКБ г. Самара (НИОКР "РУСЬ"), госконтр. № 783-5164/95 от 11.04.95г. "Создание первичных СИ, контроля и диагностики для изделий РКТ" (ОКР "Арахис"), дог. № 53/НПА-93 от 01.04.93г. между НПА "Сура" г. Королев Московской обл. и НИИФИ.

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использованы при разработке ВОД некоторых ФВ, разработке стандарта и внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании:

- ВОД давления (ВОДД) отражательного типа на диапазоны 0...5, 0...10, 0...15, 0...28 кгс/см2. Разработаны опытные образцы ВОДД: шифр ДО 001 (безлинзовый вариант), ДО 002 (линзовый вариант);

- ВОД положения (ВОДП) отражательного типа с зонами срабатывания 0...8, 0...12 мм. Разработаны опытные образцы ВОДП: шифр ПО 001 (безлинзовый вариант), ПО 002 (линзовый вариант);

- ВОД уровня жидкости (ВОДУ), сигнализирующего о наличии в зоне измерения жидкости с коэффициентами преломления более 1,2. Разработаны опытные образцы ВОДУ: шифр БО 001.

Датчики ДО 001, ПО 001, БО 001 внедрены на предприятиях Российского авиационно-космического агентства: ЦСКБ г.Самара, НИИФИ г.Пенза, РКК "Энергия" г. Королев Московской обл.

Отдельные результаты работы, выполненной автором в рамках НИР "Интерфейс-4", внедрены в ГОСТ Р В 50899-96 "Сети сбора данных волоконно-оптические на основе ВОД. Общие требования".

В ПГУ результаты работы внедрены во всех видах занятий по проектированию СИ (лекции, курсовое проектирование, лабораторный практикум), в частности, в дисциплине "Теория, расчет и проектирование ВО измерительных приборов и систем". В учебный процесс внедрены: элементы общей теории и основы теории проектирования ВОД, основные понятия о принципах построения ВОП, материалы по расчету ВОП.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на научно-техническом семинаре (НТС) Крымского филиала НИТИП (г. Симферополь, 1986 г.), Всесоюзном НТС "Оптоэлектронные датчики для роботизированных комплексов и ГПС" (г. Фергана, 1988 г.), Всесоюзных и международных научно-технических конференциях (НТК) "Методы и СИ механических параметров в системах контроля и управления" (г.Пенза, 1988, 1989, 1990, 1991, 1992, 1994, 1999 г.г.), НТК "Оптоэлектронные информационные системы и средства" (г. Москва, 1990 г.), Всесоюзной НТК "Микроэлектронные датчики в машиностроении" (г.Ульяновск, 1990 г.), Всесоюзной НТК "Оптические сети связи" (г.Москва, 1991 г,), IV Международной НТК "Точность технологических и транспортных систем" (г.Пенза, 1998 г.), Всероссийской НТК "Состояние и проблемы технических измерений" (г. Москва, 1998г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 работ, из которых 1 монография, 13 авторских свидетельств и 5 патентов, 16 статей в центральных изданиях (в том числе международных) и межвузовских сборниках, 2 учебных пособия. Без соавторов опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста (380 стр.), заключения, списка литературы, включающего 143 наименования, 8 приложений. Основная часть содержит 123 рисунка, 17 таблиц.

На защиту выносятся следующие положения:

1 Основы теории проектирования амплитудных ВОД с высокими МХ и ЭХ, которые включают в себя следующее:

- общин подход к синтезу и анализу, основанный на выделении ОК ВОД как объекта управления, па параметры которого направлены управляющие воздействия;

- новые принципы создания ВОД, предполагающие отсутствие механических информативных и неинформативных изгибов ВОК;

- структурные, математические и метрологические модели амплитудных ВОД с открытым ОК и результаты исследований влияния конструктивных параметров отдельных функциональных элементов на выходные характеристики ВОД;

- алгоритмы управления световым потоком, обеспечивающие требуемые энергетические соотношения и рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерений ОК;

- методику выбора устройств, управляющих поведением пространственной модуляционной функции излучения с целью достижения требуемых метрологических характеристик;

- методику расчета основных параметров управляющих элементов ОК, при которых обеспечиваются высокие МХ;

- алгоритмы проектирования ВОП отражательного, аттешоаторного типов и на нарушении условия ПВО в оптических насадках, обеспечивающие преемственность технических решений ВОД различных ФВ.

2 Теоретические и технические результаты метрологического анализа и анализа отказов амплитудных ВОД, среди которых новые методы улучшения МХ и ЭХ ВОД: метод дифференциального управления световым потоком непосредственно в зоне измерений за счет применения УУ в виде предельных дифференциальных аттенюаторов, дифференциальных оптико-механических модуляторов, оригинальных схем компоновки оптических волокон в ВОК, методы взаимной компенсации изменения параметров оптического канала, амплитудно-фазовый способ преобразования сигналов ВОП, конструктивно-технологические методы.

3 Совокупность определений основных понятий ВО датчикостроения вместе с их методологическими обоснованиями и следствиями, среди которых новая классификация амплитудных ВОП.

4 Научное обоснование и новые технические решения амплитудных ВОД перемещения, положения, уровня и идентификации типа жидкости, частоты вращения, давления, ускорения, температуры с повышенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, внедрение которых позволит создать ВОССД с качественно новыми полезными свойствами, существенно повышающими эффективность систем измерений, управления, контроля, диагностики, аварийной защиты изделий РКТ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основная цель и задачи исследований, раскрыты научная и практическая ценность, приведены результаты реализации и апробации работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Оценка состояния и перспективности разработки амплитудных волоконно-оптических датчиков для РКТ" обобщены и систематизированы технические требования к датчикам перспективных изделий РКТ. Специфику выбора предмета исследований определяют ' требования уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на объектах, абсолютной искро- взрывобезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех, механических факторов, перепадов температур, характерных для изделий РКТ.

С целью определения предмета исследований рассмотрены возможные объекты внедрения ВОССД. В частности определена принципиальная возможность решения задач измерений с помощью ВОССД на базе ВОД на участке выведения КА с помощью ракет-носителей: при регистрации процессов сброса створок головного обтекателя (ГО), при контроле параметров нагружения конструкции и динамики отделения КА от переходного отсека, при определении вибрационных перегрузок и акустического давления, при контроле автоматики управления сбросом ГО.

На основе анализа контролируемых параметров предложен состав аппаратуры системы измерений и разработана функциональная схема системы измерений параметров на участке выведения КА на базе ВОД.

Предложен новый простой способ измерения уровня жидкости в топливных баках в условиях полета на базе безопасной ВО системы, включающей в себя ВОДЦ, ВО акселерометр (BOA) и ВОДУ. Предложенный способ позволяет исключить влияние изменения плотности р жидкости, если, например, изменилась ее температура или окружающей среды, или если в резервуар нагнетается жидкость, отличная от той, при которой производилась калибровка ВОДЦ, исключить неоднозначность зависимости Н(Р) при взлете или посадке, когда на упругий элемент ВОДЦ будет действовать кроме ускорения g свободного падения также и ускорение а летательного аппарата (JIA), когда Р=рН^±а).ВОДУ выполняет роль калибровочного элемента. Калибровка производится в момент заполнения бака топливом при атмосферном давлении Р0.

PjagK

Окончательно определено, что Hj =-,

(g±a)

н

u

где к =-, Pia - текущее значение давления, действующего на

Р - Р к о

мембрану ВОДД при движении КЛ с ускорением а; Нк - расстояние, на котором установлен ВОДУ.

Проведенный анализ соотношения спроса и предложения на ВОД показал, что объекты РКТ наибольшую потребность испытывают в ВОД перемещения, положения, частоты вращения, уровня и типа жидкости, ускорения, давления, температуры.

На начальном этапе представляется целесообразным сконцентрировать усилия на разработке простых с точки зрения конструктивных и схемных решений ВОД, принцип действия которых основан на модуляции под действием контролируемой ФВ интенсивности СП, которые более универсальны и надежны в эксплуатации. Амплитудный принцип модуляции обеспечивает наиболее простое мультиплексирование сигналов в ВОССД. Большинство схем амплитудной модуляции не требует когерентных ИИ, ВОК может быть изготовлен из дешевых многомодовых OB.

Основным недостатком, ограничивающим использование амплитудных ВОД является то, что на точность измерений существенное влияние оказывают ВВФ. В то же время использование простых дифференциальных схем и возможность проведения многопараметрических измерений за счет применения большого количества простых датчиков представляют возможность снизить требования к MX амплитудных ВОД, что определяет целесообразность их применения в перспективных ИИС.

Поэтому ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ - ВО преобразователи и датчики амплитудного типа: положения, перемещений, частоты вращения, уровня жидкости, давления, ускорений, температуры, предполагаемые к применению в ИИС перспективных образцов РКТ.

Широкий диапазон изменения и большое количество измеряемых параметров на изделиях РКТ, разнообразие методов преобразования измеряемых параметров в ОС выдвигают в качестве одной из первоочередных задач решение проблемы стандартизации и унификации входных и выходных параметров ВОД, их конструктивно-технических решений, обеспечивающих взаимозаменяемость датчиков, повышение экономических показателей процессов их изготовления, испытаний и эксплуатации, ограничение номенклатуры я типоразмеров вновь разрабатываемых ВОД. Стандартизации и унификации технических решений ВОД для ВОССД требуют разработку единой методологии их проектирования, включающей разработку единой терминологии, обоснованной классификации ВОП, создание единой конструкторской, технологической и метрологической базы.

Предложены и обоснованы термины, относящиеся к сфере ВОдатчи-костроения, в частности, новые определения "ВОП" и "ВОД".

и

Исторически сложилось так, что под ВОП понимается совокупность измерительного преобразователя (ИП), осуществляющего преобразование измеряемого параметра в изменение того или иного параметра ОС, и ВО тракта, осуществляющего или передачу, или восприятие информации в виде параметров ОС. Это позволяет не дробить ИП на мельчайшие составляющие, а объединить их под нишей определяющего элемента: ОВ, что облегчает классификацию, проектирование и анализ ВОП. Чтобы не вступать в противоречие с действующим ГОСТ 16263-70, введено понятие "ОК" ВОП, под которым понимается совокупность оптической системы и подводящих (ПОВ) и отводящих (ООВ) ОВ, обеспечивающих передачу и преобразование ОС. Поэтому под ВОП подразумеваются СИ, преобразующие изменение под действием ФВ одного из параметров ОК в изменение параметров ОС, что позволит расширить класс ВОП, так как в этом случае учитываются не только изменения параметров ОВ, но и других элементов ОК.

Сложнее с определением "ВОД". Нельзя проводить полную аналогию с электрическими датчиками (ЭД), в которых электрический кабель является каналом связи между датчиком и БПИ. ВОК в ряде случаев является естественным продолжением ИП.

На рисунке 1 представлены возможные варианты ВОД.

В первом случае один из

БПИ ОЭБ ВОП

вок

БПИ

ОЭБ

-с

вод

\

вок

ВОП

элементов ВОК является частью конструкции ВОП, второй -частью конструкции ОЭБ. В этом случае ОЭБ также является частью ВОД. Входные и выходные сигналы датчика - электрические.

Во втором случае только один элемент ВОК является частью конструкции ВОП, В этом случае датчик - конструктивная совокупность ВОП и ВОК и соединяется с БПИ посредством оптического разъема (ОР). Входные и выходные сигналы ВОД____датчика - оптические. На протяженных объектах, когда длина Рисунок 1 - Варианты ВОД кабеля достигает 200 - 1000 м,

затруднена сборка, испытания и эксплуатация датчиков. В этом случае целесообразно использовать третий вариант, когда длина ОВ датчика не превышает 2 м, а соединение датчика с БПИ осуществляется посредством

БПИ

ОЭБ

-с

; ор р ,

БПИ

ВОП

ВОК

независимого ВОК. Входные и выходные сигналы датчика - оптические. Именно ВОД третьего типа предполагается использовать в ВОССД.

Стандартному определению датчика в полной мере отвечает только ВОД третьего типа, у которого вся конструктивная совокупность ИП размещена в зоне действия ВВФ. Поэтому более справедливым будет следующее определение: "ВОД - часть измерительной системы, представляющая собой конструктивную совокупность ИП, часть которых, воспринимающая измеряемый параметр, размещена в зоне действия ВФ...".

Когда речь идет о создании целого класса датчиков, целесообразно рассматривать не предельные значения ФВ, а обобщенные, т. е. встречающиеся в ТЗ наиболее часто. Такой подход исключает неоправданное усложнение технических решений ВОД. Определена целесообразность разработки типовых технических решений ВОД. Для жестких условий применения на базе типовых решений возможно создание ВОД с некоторой модификацией конструктивно-технологических и схемных решений.

Определены элементы конструкции, которые являются носителями конструктивной преемственности и объектами конструктивной унификации: это ВОК и ВОП.

Во второй главе "Структурно-функциональная и параметрическая организация амплитудных волоконно-оптических датчиков, разрабатываемых для РКТ" предложены обобщенные структурные схемы ВОД с электрическим (ЭИ) и оптическим интерфейсами (ОИ), на основе которых разработаны алгоритмы преобразования сигналов в ВОД (рисунок 2).

ВОД с ЭИ состоит из ВОП и ОЭБ. ВОД с ОИ представляет собой собственно ВОП. ВОП состоит из ИП и ВОК. ВОК представляет собой жгут ПОВ и ООВ. Для эффективной передачи светового потока от ИИ к ПОВ и от ООВ к ПИ введены узлы юстировки УЮ1 и УЮ2.

Электрический сигнал ип, поступающий на вход ОЭБ, преобразуется с помощью электрооптического преобразователя ИИ в ОС Ф0, часть которого Ф'0 поступает на вход ВОК через УЮ1. По ПОВ СП передается в зону измерения ИП, где его интенсивность изменяется под действием величины X. Часть СП Фип(Х), промодулироваиного в функции X, поступает в ООВ, передается по ним через узел УЮ2 к ПИ, где происходит фотоэлектрическое преобразование. С выхода ОЭБ снимается сигнал 1(Х).

Таким образом, происходят следующие преобразования:

ип—>-Фо—►Ф о*- Ф—Ф'(Х>—>• Ф(Х)—► 1(Х)

Структурирование базовых элементов ВОД позволило разработать математические модели функции преобразования (ФП), которая для электрического ВОД представляет собой зависимость тока ПИ от контролируемой ФВ X и ВФ 1(Х, %)=Ршг>1(>0Ф(Х, ЮБии, где Рии - мощность ИИ; г((Х) - коэффициент спектрального согласования элементов ВОД; Ф(Х,%) -ФП ВОП; Бпи - интегральная токовая чувствительность ПИ.

иг

ЛХ)

ОЭБ

ИИ

ВОН

ВОК

УЮ 1(0Р 1)

Фп

ПИ И(Х) УЮ2(ОР2)

ПОВ

ООВ

ф

ип

Фи„(Х)

ф

Ф(Х)

Рисунок 2 Структурная схема ВОД

а - с электрическим входом н выходом; 6 - с оптическим входом и выходом;

В оптическом ВОД происходят следующие преобразования:

х!

Фо.

.Ф

Фнм(Х)

,Ф(Х)

ФП ВОП имеет вид: Ф(Х, &)^Кис(^)Ксп(||)Кин(Х, ¡¡¡), где Кис(^), Ксп(^) - коэффициенты передач трактов "ИИ - ПОВ" и "ООВ - ПИ" соответственно; Кин(Х, - ФП измерительного преобразователя.

На основе анализа ряда отечественных и зарубежных публикаций разработана и обоснована новая классификация амплитудных ВОП, которая дает возможность более обоснованно подойти к проблеме стандартизации новых разработок ВОД. В основу классификации положено понятие "оптический канал". Амплитудные ВОП по типу ОК разделены на три больших класса: с открытым ОК, когда изменения измеряемой ФВ вызывают изменения условий распространения света в разрыве ВО канала в зоне измерений; с закрытым ОК, когда изменения измеряемой ФВ ведут к изменению условий распространения света в самом ВОК в зоне измерений; без внешнего ИИ и подводящего ОВ, когда изменения измеряемой ФВ вызывают изменения интенсивности излучения светогенерационных веществ.

Подключение ВОД и их взаимодействие с остальными функциональными элементами ВОССД должно осуществляться через стандартный интерфейс, представляющий собой совокупность унифицированных аппаратурных и конструктивных средств, обеспечивающих информационную, параметрическую и конструктивную совместимость ВОД с ВОССД.

С целью стандартизации входных и выходных параметров ВОД разработана обобщенная структурная схема ВОССД с амплитудными ВОП. Обоснована компонентная база ВОД, обеспечивающая максимальную надежность системы. Определено, что наиболее целесообразно использовать светодиоды (СД), фотодиоды и многомодовые ОВ, обеспечивающие максимальную надежность и простоту аппаратурной реализации системы.

Разработаны расчетная схема участка ВОССД с амплитудными ВОП и методика расчета минимально необходимой вводимой в систему оптической мощности. Для надежной работы необходимо обеспечить энергетический баланс оптической мощности тракта "ИИ - ПИ".

Систематизированы стандартизуемые параметры оптических сигналов на входе и выходе ВОД с ОИ: параметры зондирующих сигналов (ЗС) и сигналов отклика (СО), вид ЗС, характер и глубина модуляции СО. Систематизированы показатели назначения ВОД с ОИ.

В третьей главе "Оценка метрологических и эксплуатационных возможностей амплитудных ВОД в условиях РКТ" проведены метрологический анализ и анализ отказов ВОД амплитудного типа, определены возможные погрешности и даны рекомендации по их снижению, предложен новый подход к проектированию ВОД, улучшающий эксплуатационные характеристики (ЭХ) вновь разрабатываемых ВОД.

Разработаны метрологические модели ВОД с ОИ н ЭИ.

Реальные ФП датчиков будут иметь вид: для ЭВОД:

1Р=Рии(1 +6Рии)(А| +Кис)( 1 +6Кис)(Д2+Дз+Дл+Кип)( 1 +6Кип)" ■( А4+Ксп)( 1 +6Ксп)[( 1 +йп(ЩА5+8пи)( 1 +68пи)Х, - для ОВОД: Фр=Фо(Д1+Кис)(1+6Кис)(Д2+Дз+Дл+Кип)-

•(1 +&Кип)-(А4+Ксп)(1 +6Ксп)Х, где Д| - погрешность юстировки (ПЮ) ИИ относительно ПОВ; Д2 - ПЮ ПОВ относительно ИП; Дз - погрешность из-за неточности изготовления ИП; Дд - ПЮ ИП относительно ООВ; Д5 - ПЮ ООВ относительно ПИ; Дб -погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ; Дл -погрешность линейности ФП ИП; бРии- погрешность, обусловленная изменением мощности и диаграммы излучения ИИ при изменении температуры, напряжения питания; 6Кис, 6Ксп - погрешности, обусловленные изменением светопро-пускания ПОВ и ООВ при изгибах ВОК; 6Кип - мультипликативная погрешность (МП), обусловленная изменением параметров ИП при воздействии ВВФ; Ьт](>с) - погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ при изменении температуры; бБпи - погрешность от изменения чувствительности ПИ при изменении температуры, напряжения питания.

Определено, что большинство аддитивных погрешностей может быть снижено в процессе сборки точной юстировкой элементов конструкции.

МП, обусловленные изменением энергетических параметров ИИ и ПИ и коэффициента преобразования ИП при изменении параметров окружающей среды, могут достигать 30, а в отдельных случаях 50 % от результата измерения, если не принять соответствующих мер. Но они носят систематический характер, поэтому могут быть исключены. Автором предложено несколько способов снижения данных погрешностей. Впервые ВОК рассматривается как объект метрологической модели. Тип, размеры, количество ОВ, их взаимное расположение в торцах ВОК, неинформативные и информативные изгибы кабеля существенно влияют на МХ ВОД. Учет и уменьшение этого влияния на стадии проектирования позволят улучшить МХ ВОД в целом за счет рационального и целенаправленного выбора конструктивно-технологических решений ВОК.

Если изгибы ОВ незначительны, погрешности 5Кис, бКсп, обусловленные изменением светопропускания ОВ при неинформативных изгибах ВОК, можно исключить. Большие изгибы ВОК вызывают существенное снижение интенсивности СП, поступающего в зону измерения, что делает бессмысленным сам процесс измерения.

Погрешность, возникающую при изменении радиуса изгиба ОВ целесообразно представить в виде суммы погрешностей Двок=Д0+Да, где Д0, Да - погрешности, обусловленные возникновением излучательных мод апертурных и внеапертурных лучей соответственно при изменении радиуса изгиба ОВ. Несмотря на общую природу проявления этих погрешностей, условия возникновения и способы устранения их различны. Простой способ исключения погрешности ДО - отсутствие случайных изгибов ВОК. Предполагается, что ВОК в процессе эксплуатации будет неподвижно закреплен на объекте, а изгибающие воздействия возможны только во время сборки, испытаний и аттестации ВОД и проявляются в зоне узла стыковки ИИ и приемного торца ВОК. Поэтому данный участок ВОК должен иметь жесткую конструкцию. Погрешность Да обусловлена тем, что ОВ "захватывают" внеапертурные лучи ИИ, которые частично проходят в зону измерений, что связано с небольшой длиной (2... 10 м) ВОК, характерной для большинства ВОД. Чтобы исключить погрешность Да, предложено начальный участок ОВ закрепить на стержне длиной Н в виде спирали с шагом Б.

Предложены варианты взаимного расположения ПОВ и ООВ в рабочих торцах ВОК. Определено, что коаксиальное расположение ОВ в жгуте ВОК датчика отражательного типа наиболее простое по технологии изготовления. Одновременно оно целесообразно с точки зрения управления световым потоком. Изменение взаимного расположения ПОВ и ООВ в жгуте ВОК дает возможность изменять ГМ ОС и ЧП в 1,5 раза.

Проведены систематизация и анализ возможных источников отказов ВОД. Определено, что самым слабым элементом ВОД с точки зрения механической

надежности и, соответственно, метрологической, является ВОК. При разработке ВОД возникает ряд проблем, связанных с низкой механической прочностью ОВ: удары, вибрации, изгибающие воздействия, сдавливания ведут к возникновению трещин в стекле. Микротрещины снижаютсветопропускание волокна и вносят погрешность в результат измерений. Большие трещины ведут к полному разрушению ОВ, что равнозначно выходу из строя ВОД. Во время сборки, аттестации и испытаний наиболее часто встречаются поломки в зоне, расположенной в непосредственной близости от зоны измерений. Даны предложения по исключению отказов.

Сделан важный методологический вывод: для повышения надежности ВОД в условиях РКТ необходим новый подход к проектированию ВОД, предполагающий отсутствие механических информативных и пеинформативных изгибов ВОК. Такой подход может быть реализован только в ВОД с открытым ОК: отражательного, проходного, аттешоатор-ного типа и на нарушении условия ПВО в оптических насадках.

Предложены конструктивно-технологические методы повышения надежности ВОД, эксплуатируемых в экстремальных условиях РКТ. Автором (в соавторстве) запатентовано герметичное соединение оптической насадки (ОН) с металлическим корпусом датчика посредством оправы оригинальной конструкции, которое расширяет функциональные возможности ВОД за счет использования их в диапазоне температур от минус 100 до +500 °С. Испытания показали, что конструкция соединителя выдерживает давление от Ю-6мм рт. ст. до 10 МПа, причем герметичность соединения в 2 раза выше, чем у соединений без оправы, и составляет 10"4 л-мкм

рт. ст./с.

Рисунок Ь а - Волоконно-оптический дагчик (перемещении, ланлеинн, уроилн жндкпеш, наличия пламени) с шпичсский насадкой; 6 • ом мисскаи насадка даршка уроини жндкосш

Рассмотрен ВОД, в котором ОВ изолированы от жестких условий зоны измерений с помощью ОН2 и теплоизолятора 4 (рисунок 3).

Расчеты показали, что время функционирования ВОД при воздействии повышенной до +500°С температуры составит 250 часов (габариты датчика 08x60 мм).

Данная конструкция с незначительной долей модификации может быть применена в ВОД давления, уровня жидкости, наличия пламени.

В ВОДД роль отражателя выполняет мембрана, в ВОДУ и наличия пламени он отсутствует. В ВОДУ ОН имеет форму, показанную на рисунке 3,6.

Предложен (в соавторстве) амплитудно-фазовый способ преобразования гармонических сигналов с выхода ВОП, позволяющий снизить погрешность, обусловленную изменением энергетических параметров ИИ.и ПИ, и линеаризовать выходную зависимость, не снижая диапазона измерения.

В четвертой главе "Управление параметрами оптического канала волоконно-оптических датчиков" оптический канал выделен как объект управления, на который можно целенаправленно воздействовать. Состояние ОК в процессе воздействия измеряемой ФВ X и неизмеряемых параметров внешней среды определяет достоверность результатов измерения.

Управляемые параметры (УП) ОК условно разделены на две группы: параметры первых определяются на этапе разработки ВОД и в процессе измерений остаются неизменными, параметры вторых изменяются под действием ФВ X или через посредство промежуточных преобразований.

Функция управления М ОК обеспечивает достижение требуемых значений параметров выходного ОС в диапазоне изменений контролируемой ФВ. Она осуществляется с помощью управляющих элементов (УЭ), перерабатывающих получаемую информацию по определенному заложенному в них алгоритму. Управляющие воздействия на ОК через посредство УЭ формируют рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерения, обеспечивающие требуемые энергетические соотношения и выходные характеристики ВОП: высокую ЧП, требуемый динамический диапазон (ДД) изменения вносимых оптических потерь в диапазоне измерений, заданную функциональную зависимость между входным и выходным ОС.

ОК характеризуется следующими конструктивными и оптическими УП, обеспечивающими требуемое течение процесса преобразования в ВОП: формы преломляющих и отражающих поверхностей, расстояния между преломляющими, отражающими, рассеивающими, излучающими и поглощающими поверхностями, показатели преломления сред, составляющих ОК, материалы конструктивных элементов ИП, параметры ОВ, схемы расположения ОВ в приемном, передающем и общем торцах ВОК.

На примере разработанных схем систем управления ОК ВОД отражательного типа и на принципе нарушения условия ПВО рассмотрено, как осуществляется процесс управления параметрами ОК (рисунок 4).

Процесс управления СП в узлах УЮ1 и УЮ2 заключается в выборе оптимальных конструктивно-энергетических соотношений на этапе проектирования: определяются количество и расположение ОВ в приемном торце ВОК, выбираются геометрические параметры и взаимное расположение ИИ, ОВ, линз и т.д.

Разработана классификация ЭУ, в соответствии с которой они делятся на управляющие устройства (УУ) и управляемые величины. УУ в ВОД используются для внесения информации о ФВ в световую волну через оптико-механическое воздействие и делятся на модуляторы, дефлекторы и аттенюаторы

iE)

<А„}

Множество значений параметров входа 1а„}

1 Длина волны Я зондирующих сигналов СЮ

2 ВидЗС

3 Средняя мощность Р„, в импульсе ЗС

4 ДД входных сигналов

5 Часплный диапазон / входных сигналов

6 Диапазон Д значений измеряемой ФВ

7 Схема расположения ОВ в ВОК Параметры ОВ

9 Форма и качество ЗОП

10 Расстояния между ПОВ и ПОВ и ЗОП

Оптический канал iß)

(М>

Устройство управления; управляющие воздействия

К

Множество значений параметров состояния объекта

1 Средняя мощность Рт в импульсе сигналов отклика

2 Глубина модуляции сигналов отклика

3 ДД изменения вносимых оптических потерь

4 Вариация выходного сигнала

5 Номинальная ФП Ф(Х)

6 Значение приведенной основной погрешности

7 Значение приведенной дополнительной погрешности к

Множество значений параметров входа (а„)

1 Диапазон значений измеряемой ФВ (минималь ное птт и максимальное птах значения показателей преломления контролируемой среды)

2 Длина волны /. ЗС

3 Вид ЗС

4 Средняя мощность Ри} в импульсе ЗС

5 ДД изменения вносимых оптических потерь

6 Частотный диапазон /

входных сигналов измеряемой ФВ

7 Схема расположения ОВ в ВОК

,8 Параметры ОВ

т.

Оптический канал

{м}

Устройство управления; управляющие воздействия

Ан

YH

Y

I

Множество значений параметров состояния объекта

1 Минимальное изменение показателя преломления контролируемой среды Др

nmin

2 Средняя мощность рпо в импульсе сигналов отклика

3 Глубина модуляции сигналов отклика

4 ДД изменения вносимых оптических потерь

5 Номинальное значение однозначной меры Y

Рисунок 4 - Схемы систем управления ОК: а - ВОД отражательного типа б- на принципе нарушения условия ПВО в оптических насадках А - множество значений параметров оптического сигнала на входе ОК; В - множество значений конструктивных параметров ОК; Е - вектор возмущений; X -контролируемая ФВ; Ъ - цель управления; М - множество управляющих воздействий и устройств; У - множество значений выходных параметров (вектор состояния ОК);

Определены критерии эффективности УУ: максимально возможные ГМ ОС, значение вносимых потерь, чувствительность к управляющему воздействию, технологичность изготовления, работоспособность в жестких условиях эксплуатации на протяжении всего срока службы с заданной точностью преобразования и минимальная инерционность.

Основные потерн происходят в узле УЮ1, где осуществляется ввод СП в ПОВ. Так как размеры ИИ и входного торца ПОВ сравнимы по величине, необходимо учитывать пространственное распределение СП ИИ.

Дана оценка эффективности ввода излучения ИИ:

- для непосредственного соединения СД и ОВ или жгута ОВ, которое целесообразно использовать, когда они согласованы по размерам излучающей и приемной поверхностей.

- с применением тонкой линзы. Потери могут быть уменьшены до минимума, если геометрия ИИ, форма жгута и линза подобраны так, что выполняются соотношения O.^sQj,, 0„3s0NA, V s dc/d„,„ где 0„, 0NA 0m, - апертурный угол линзы, OB и ИИ; V - увеличение линзы; с1ии_ dc - диаметр ИИ и сердцевины ОВ; SCiS113- площадь сердцевины ОВ и изображения ИИ в плоскости.

- с применением сферической линзы (CJ1). СЛ, в первую очередь, необходима для фокусировки широконаправленных световых пучков (ИИ с ламбертовской диаграммой направленности, при гс/г,ш s 1). Для эффективного ввода излучения должно выполняться условие Лагранжа г1Шп,1ц0л"х =г1П1110лш,1Хгдс 0лих0л"ых -входная и выходная апертура линзы, выходной апертуры линзы с входной апертурой волокна 0NA, г„з - радиус изображения

Сочетание СЛ со светодиодом (типа ЗЛ107Б, ЗЛ119Б) повышает эффективность ввода излучения в ОВ в 15...20 раз по сравнению с непосредственной стыковкой. Комбинация линз неэффективна из-за ограниченного количестве их типоразмеров и неоправданного усложненияя узла юстировки.

Из-за сложности математической формализации до настоящего времени не уделяется внимание распределешно яркости на выходе ОВ и в зоне измерения. Визуальная оценка распределения изображения в виде цветовой или квазитрехмерной видеограммы позволяет только определить в каком направлении необходимо проводить анализ и не позволяет обосновать оптимальное месторасположение в зоне измерений УУ. Распределение яркости световых пучков на выходе ПОВ, в зоне измерения и на входе ООВ оказывает влияние на MX ВОП: изменяя взаимное расположение ПОВ, ООВ и УУ OK, }tx конструктивные параметры, количественное соотношение можно существенно изменять ГМ ОС, добиваться требуемого значения вносимого затухания, кривизну выходной зависимости ОС (от релейной до линейной).

Поэтому для управления СП в ВОП с открытым ОК определено, как распределен в разрыве ОК поток излучения. Рассмотрена структура пучка света, сформированного излучающим торцом ПОВ. Поперечное сечение пучка имеет

Фо

Ф(Х)

круговую и кольцевую зоны. Энергетическая освещенность площадки радиусом (rf;-Xitg0NA), создаваемая излучающим торцом ОВ с постоянной яркостью Lc, в сечении, расположенном вблизи торца ОВ, практически равномерна по всей поверхности. При увеличении расстояния до секущей плоскости облученность поверхности резко уменьшается в направлении от оптической оси ОВ к краю поверхности. Когда диаметр зоны I равен диаметру dc , освещенность зоны II равномерная.

Управление световым потоком зеркальными отражающими поверхностями (ЗОП) происходит следующим образом (рисунок 5).

Y II

^ J Лучи света от

ПОВ проходят путь Xi до ЗОП и путь Xi в обратном направлении до ООВ под апертурпым углом 0na к оптической оси ОВ. При этом в плоскости ООВ наблюдается освещенная кольцевая зона шириной h=dc, внешний радиус которой равен

R|IEllI=2Xitg0NA. Если зеркало перемещается в направлении X, изменяется положение кольцевой зоны относи тельно ООВ в направлении Z, которое ведет к изменению площади Snp приемного торца ООВ, освещенной отраженным СП, то есть Snp= f(X).

ООВ

зеркало Ri„,c,„=2xitg()"

ООВ

Рисунок 5- Управление снстоиым потоком при помощи зеркала

ФП: Ф(Х)=КФ0, где К=БПР/5к - модуляционный коэффициент передачи оптического тракта "ПОВ - отражатель - ООВ", Бк- площадь кольцевой зоны в плоскости приемного торна ООВ. 5пр=8|+52. Площади 5, и Б, - круговые сектора, образованные пересечением двух окружностей: диаметрами с1с и 21*, равным внешнему или внутреннему диаметру освещенной круговой зоны, образованной отраженными лучами в плоскости общего торца ОВ и хорды АВ длиною а.

Определено

IV

ГР

л . а .а

— агсхт--$1п(2агсзи1 —)

90 211 21*

л а

— агсзт — 90 2т

а

- $ш(2агс$ш-)

2т

с с

При Ф„=соп51 поведение функции преобразования Ф(Х) будет оцениваться по поведению функции К(Х) в диапазоне измерений. 1

К=

4лгс(2Х^ц0Ыд-гс)

К2

л .а ... .а

—-ап^т —---51п{2агс51п—)

90 2Л 2Я

90

-агезш-

■5т(2агсз1п-)

Параметры анИ зависят от расстояния Х-, от торца ОВ до ЗОП, расстояния Б между осями ПОВ и ООВ, а также от начального расстояния Х„ между торцом ВОК и ЗОП. Изменяя параметры а,О, Хо, можно управлять поведением функции К=1"(Х), добиваясь высоких МХ

Управление световым потоком с помощью зеркала и изменения соотношения толщины сред с разными коэффициентами (КП). Предложен новый способ измерения текущего значения уровня жидкости, основанный на регистрации интенсивности СП, отраженного от ЗОП, расположенной на дне емкости. С целью линеаризации зависимости Р=1(Х) и повышения ЧП с1Р/с!Х предложено сформировать с помощью оптической системы СП, сходящийся под углом е„, причем часть пути (Н-Х() СП проходит в прямом направлении к ЗОП, расположенной на расстоянии И от излучающей поверхности оптической системы, через первую среду с коэффициентом преломления (КП) п„, а вторую часть пути -по втором среде с КП п,>п,„ уровень которой Х| контролируется. Регистрируют отраженный от ЗОП СП. Площадь отражающей поверхности 5оф и площадь светового пятна 8ПИ в приемной плоскости будут изменяться при изменении уровня жидкости.

Определены: К(Х) = (1-

, + 2

1БЕ|

II - X;

18£0

Н - X:

ig

P=(l-r„„+2-

X;

arcsin(-

- sine ) 0

1

H - X;

H-X.

H.

ре"2х,Х|Р0. (2)

tge0 \ -o

При малых углах e0 11 £i (не более 15°) отношение Ige,/tg£0близко к 1, и при Н близком к Н0 сомножитель К(Х) пропорционален квадрату X,., а второй сомножитель - е"2*,* - обратно пропорционален экспоненциальной зависимости. Для линеаризации зависимости Р(Х) необходимо, чтобы нелинейность первого сомножителя была скомпенсирована нелинейностью второго сомножителя. Управление СП в данном случае направлено на повышение ЧП и снижение нелинейности зависимости K=f(X). Этого можно добиться, изменяя параметрыгш„ е0, Н и Н0 (рисунок 6).

Если в выражении (2) принять постоянными значения гии, е0, Н, Н0и Xi5 то по значению Р можно найти коэффициент п,, который является показателем типа или состава жидкости.

Управление световым потоком при помощи непрозрачного экрана. Если часть СП, идущего от ООВ, перекрывается экраном, то при этом часть площади приемного торца ООВ S, затеняется, соответственно изменяется освещенная

площадь S7 приемного

торца ООВ, S

причем S/=SOB-S,. Ф11 имеет вид

Ф(2)=К|К2Ф0, где К,= —i- К2=——, где Sc, SAA - площади поперечного сечения

S

АА

сердцевины ОВ и СП в плоскости расположения торца ООВ, 3АА=л(Ы§0МЛ+гс)2, где Ь - расстояние между излучающим торцом ПОВ и приемным торцом ООВ. Если СП от ПОВ распространяется параллельным пучком, то коэффициент К2=1, т. е. для уменьшения неинформативных потерь СП имеет смысл формировать параллельный ход лучей.

Изменением вида функции преобразования можно добиться изме-

нения вида ФП Ф=Г(г), а именно: ее нелинейности и крутизны. В свою очередь, изменения вида зависимости БЛ=Г(2) добиваются изменением формы и размеров экрана.

Для экрана прямоугольной формы (рисунок 7, а):

s/~xr2-{ — (—2arcsin с 1 2 180

а

2rcZ-

г2

-sin(2arcsin

U

2rcZ-Z

2

)}

Рисунок 6 а)

Зависимость К(Х)=ЦХ) при Но=80мм, Н=60мм, по=1, п1=1,33, Я НИ " к ММ при разных значениях угла еО

К(Х)

—»-е0=12гра; —»—е0=13гра; -А—е0=14гра; -X— е0= 15гра;

10 15 20 25 30 35 Уровень жидкости, XI, мм

40

45

50

Рисунок б)

Завнсимость(С(Х)-Г(Х) при Н=60мм, п0= 1, п1 = 1,33, Е1н11=4мм при ратных значениях 110мм

К(Х)

1 5 20 25 30 35 Уровень ЖИДКОСТИ, XI, мм

Рисунок 6 в) Зависимость К(Х)=С(Х) при 11о»80мм, 11»60мм, по=1, п=1,33, ео=(5 град

Уровень жидкости. мм

а) 35000

30000

N 23000

г

* г 2Ю00

S 15Ю0

V)

10000

5000

0

N S,

N

\

N S ,

S к

J

О 20 40 60 80 IDO 130 140 100 180 200 Переменен»« штерки Z, мкм

<N

б) 35000 30001) 25000 | 20000 § 15000 10000 5000 О

L ♦ ■ Riu = 180 МКМ —■—Яш =200 мкм

N — Rui =220 МКМ

—1 к

i s,

i

О 20 40 60 80 1011 120 140 160 180 200 Перемешекис шторки, Z. мм

Рисунок 7 - Графики зависимостей при параллельном ходе лучей;

а - для прямоугольной шторки, б - для шторки с круглым отверстием; (1 ^ 200 мкм

Зависимость достаточно линейная. Некоторая нелинейность наблюдается на начальном и-конечном участках., которые целесообразно исключить.

При L< V. 0(Z)=00-

я(ие0ыл + гс>

{ лт2-[ 2arcsin

1 с 1 2 180

■¡2tqZ-ZV

sin(2arcsin

2rcZ - 7Г

> i])'

При Ь>ЬФ. <t>(Z)=d>0_

2

с 1 2 180

2n:rc(2LtgeNA + гс)

^2rcZ-Z2] sin(2arcsin

]2rcZ - Z"

Экран может быть выполнен с отверстием. Если отверстие прямоугольное, то управление световым потоком аналогично рассмотренному выше случаю. Более технологичен в изготовлении экран с круглым отверстием, радиус которого 11ш. В этом случае

, R

- 2 ш

S = лг --

Z с 2

л- а а

— arcsin-- sin(2arcsin-)

90 2R 2R

ш

ш

г

с

л а а

— arcsin — - sin(2arcsin —)

90 2r 2r

с с

где а=АВ=2

2 D с ш 2

гс - (- +--) , где D=Rm+rc-Z.

2 2D

\

Изменять линейность зависимости S,=f(Z) и ГМ ОС можно, изменяя значение /?,„ в процессе проектирования (рисунок 7,6). Определено, что погрешность линейности минимальна при Rm=rc.

Управление световым потоком при помощи сферических линз (CJI). Принцип действия большинства УУ основан на использовании только части светового потока, поступающего по ПОВ в зону измерений. Потери при этом могут достигать 5... 10 дБ. Эффективность использования УУ может быть значительно увеличена, если повысить освещенность и снизить величину освещенной поверхности в плоскости расположения ООВ. Таким У У является CJI, фокусирующие свойства которой позволяют снизить площадь изображения торца ПОВ до величины площади торца ООВ.

CJT располагают между ПОВ и ООВ так, что оптические оси ПОВ и линзы совпадают, а линзы и ООВ или совпадают или расположены на расстоянии Rcp причем ПОВ расположено на расстоянии / от линзы, а ООВ - на расстоянии ^.Максимальное количество поступит в ООВ, когда S„,£ Sc, 0лг 0МЛ, 0NAz0„. Первое условие выполняется, если /,=Sf+b, где b=dc/2tg0li;1i. Задача состоит в том, чтобы определить все вышеперечисленные параметры, обеспечивающие эффективный ввод излучения в ООВ, линейную ФП Ф=Г(Х, Z), максимальные ЧП и ГМ оптического сигнала и равномерное распределение освещенности в плоскости приемного торца ООВ.

Линза может перемещаться относительно ОВ в направлениях X и Z. ФП имеет вид Ф(Х, Z)=KOc, где К - модуляционный коэффициент передачи тракта "ПОВ - линза - ООВ", K=SnP/SK, где SnP - освещенная площадь торца ООВ; SK -площадь освещенной зоны в плоскости торца ООВ.

Управление СП осуществляется следующим образом. При перемещении линзы вдоль оси X лучи 1 и 2 с выхода ПОВ будут падать на поверхность линзы под углами а,(Х)и а2(Х). Далее лучи преломляются, проходят Через тело линзы под углами (3,(Х) и р2(Х), преломляются и под углами у,(Х) и у2(Х) фокусируются в направлении приемного торца ООВ, падают на приемную поверхностьООВ под углами 0„х1(Х) и 0вх2(Х). При этом изменяются значения внешнего R,„C111 и внутреннего RB„ радиусов освещенной площадки в плоскости расположения ООВ, что, в свою очередь, ведет к изменению ее площади S,n и площади Snp перекрытия освещенной зоны и приемного тоца ООВ. Происходят следующие преобразования:

hi.-* air->P.i —►Yii b„ —»<^>->SK,Sni, -»Q-HW hji—*. У*_><Э„х2,. h2i _| Ф0 Т

Определено vi2=arcsfn[-(n,/n,)[(Sf+rn)± Х;]б1'п0мл/гл].

Yll=arcsin[-(nl/n_1)[(Sl+^-dl/tgQNA)±:Xi]sinQNA/rJ]].

Доказано, что ПОВ нецелесообразно располагать на расстоянии, большем, чем Sf. Определено

0lxl2=arcsin[-(nl/n,)[(Sl+rJ,)-Xi]sin0NA/rJI]-arcsint(-n1Sf/n1,rJ,)sin 0NA]; 0„¡,= arcsin[-(n,/n3)t(S(+^-dc/lg0NA)-X¡]s¡n ©МЛ/гл] - arcsin^-i^S/n,,^) sin 0NA], b¡ = гл[1- sin Y/sin CYi -ß2)]-Если OOB располагается соосно с линзой, то его торец необходимо расположить на расстоянии /,=Ь1-с1, где c^d^lge.,,. В этом случае SnP=n(r2c-R2B„),

SK=*(R2.„C1,-R2.„), K=(rV R'J/ÍR'.^-R2,,,).

Для эффективного использования приемного торца ООВ параметры оптической схемы необходимо выбирать так, чтобы при Х=0 RBn(:il,=dc/2, Rall=0, Snp=Sc и SnP=SK, а при X=Xmax: R.^d^.

Если ООВ располагается в сечении на расстоянии Sf от поверхности линзы, то с целью повышения ЧП целесообразно расположить два, три или более ООВ в непосредственной близости друг от друга. Данное техническое решение более предпочтительно, так как распределение освещенности в зоне перетяжки равномерное.

Изменяя значение /,, можно изменять ход зависимости К=Ф/Ф0=Г(Х). Зависимость Ф/ФЦ=Г(Х) практически линейная (рисунок 8, а).

Q28,——————————

Рисунок8-Зависимости а - = í>/0>0=f(Z), 6 - = <I>/<I>0=f(X) при 0цд= '2 град; rc=О,I мм; По= 1, п„= 1,47; n3= 1; Sf= 2 мм; г,= 1 мм при разных I,

При перемещении линзы вдоль оси Z h¡2=S( -Z/tg0NA; h^Sf-dyigO^Z/lgO^;

Г|2=агс5!п[-(п/п3)[(8,+гл)±г;/1ё0МЛ]51п0МЛ/гл]. Y¡1=arcsin[-(nl/n3)[(S[+^-dc/tg0NA)±Zi/tg0NA]sin0NA/r^]. e,xi2=arcsin{-(n,/n,)[(S(-l-r;l)-Zi/tgeNA]sin 0МА/гл}- arcsin[(-n1S,/nJ,rJI)sin 0NA]; ©„i ,=arcsin {-(n /n3)t(Sf+^-dc/tg0NA)-Zi/tg0NA]sin выл/гл}-- arcsinjX-njS/iyj,) sin 0NA], где Z¡ - текущее значение перемещения центра линзы по оси Z.

Изменение расстояния 1| существенно влияет на ЧП с!(Ф/Фо)МХ и глубину модуляции ш. При изменении расстояния Ь от 2 до 1,5 мм ЧП увеличивается от 0,06 до 0,44 мм1, то есть в 8 раз, ГМ увеличивается с.4 до 30 %. Зависимость Ф/Фо=Д2) близка к квадратичной (рисунок 9, б). При изменении расстояния и от 2 до 1,5мм ЧП с!(Ф/Фо)/с12 увеличивается от 0,5 до Змм-1, то есть в 6 раз, ГМ увеличивается с 4 до 25 %.

Управление световым потоком дифференциальными УУ позволяет значительно снизить влияние на точность измерений неинформативных параметров внешней среды и изгибов ВОК. Предложено несколько вариантов дифференциальных аттенюаторов (ДА).

Рассмотрены ДА, представляющие собой экран с двумя отверстиями квадратной или круглой формы, центры которых смещены на величину гс. На приемные торцы двух ООВ, расположенных в сечении на расстоянии Ь от торца ПОВ спроецировано изображение Баа излучающего торца ПОВ. При ¿¡—0, когда центр изображения совпадает с осью У приемных торцов ООВ, открыты верхняя половина первого ООВ и нижняя половина второго ООВ. Потоки излучения, поступающие на каждое волокно, Ф1 и Фг, равны.

Происходят удвоение ЧП и линеаризация выходной зависимости.

Для снижения влияния на точность измерения неинформативных изгибов ВОК сигналы поступают па делительное устройство (ДУ), где формируется сигнал 1(2)~(Ф|-ЛФУ(Ф2+ЛФ)- Для повышения чувствительности преобразования формируется сигнал 1(2)~Ф|-Ф:/Ф1+Ф2.

Решены вопросы выбора количества ПОВ и ООВ, оптимального расположения ПОВ и ООВ в ВОК и относительно ДА, оптимальной формы ДА, которые влияют на МХ ВОП: величину вносимого затухания, ЧП, ГМ оптического сигнала, линейность выходной характеристики.

Оказывает влияние на МХ и распределение освещенности в плоскости приемных торцов ООВ, определяемое расстоянием между ООВ и ПОВ. Если ООВ расположены от излучающего торца ПОВ па расстоянии Ь-Ьф, то облученность площадки Баа резко уменьшается при удалении от оптической оси ВОП. Нелинейное распределение освещенности не оказывает влияние на результат измерения, если ООВ двух каналов будут расположены симметрично относительно оси ПОВ. В то же время требуется точная юстировка ООВ относительно ПОВ и отверстий ДА и точное изготовление отверстий. Этот недостаток исключается, если ООВ расположены в плоскости, в которой распределение освещенности равномерное, где диаметр зоны I равен диаметру с!с. Но при этом в 4 раза уменьшится освещенность приемных торцов ООВ, так как увеличивается площадь Эаа. Чтобы избежать снижения ЧП из-за снижения освещенности целесообразно использовать не одно, а несколько ООВ. С точки зрения технологичности изготовления ВОК наиболее предпочтителен вариант из шести ООВ. При этом в центре приемного торца ВОК необходимо расположить седьмое технологическое ОВ, обеспе-

чивающее симметричность конструкции кабеля. ООВ необходимо поделит; между двумя измерительными каналами: по три на каждый.

Дана сравнительная оценка эффективности предложенных конструк тивных решений ДА с точки зрения обеспечения требуемых МХ и техноло гичности изготовления. Определено, что при одном и том же количеств! ООВ в ВОК, равном шести, эффективность ДА с круглым отверстием в 2...'. раза выше остальных. Следует также добавить к достоинствам данного Д/ простоту юстировки его и ОВ. При неточной взаимной установке аттешоа тора и ОВ вдоль оси У интегральная оценка поступающего в ООВ светово го потока остается неизменной, то есть не скажется на результате измере шш. Поэтому данный ДА рекомендован к применению в ВОП.

Управление световым потоком дифференциальным оптико механическим модулятором. Для дифференциального управления СП можж использовать СЛ, перемещающуюся в направлении Z относительно ОВ. В этом случае ООВ делятся на две группы, расположенные относительно СЛ так, чтобы при смещений линзы относительно ОВ световой поток Ф„ поступающий в ООВ первой группы, уменьшался на величину ДФ, а световой поток Ф2, поступающий в ООВ второй группы - увеличивался на ДФ.

Если используются два ООВ, расположенные один над другим, то равньк по интенсивности СП будут сформированы в том случае, если в плоскости рас положения ООВ изображение излучающего торца ПОВ будет представлять собой круг радиусом гИ1, равиым радиусу гов ОВ. Определено, что это возможно при0„>©нл, 6„<0цЛи

5(+^21£(агс5т{-(п/п,)[(5[+гл-с11Л§0мл)]5Ш 0мл/гл}-- ап^пК-п^/п/^т ©МА]).

Вторая составляющая выражения несущественна, поэтому ООВ расположены вблизи зоны перетяжки СЛ, и, соответственно, распределение освещенности в плоскости расположения ООВ равномерное.

В отличие от нелинейных зависимостей Ф,/Ф„=Г(2) и Ф2/Ф0=Г^) зависимость Ф/Ф0=(ФгФ2)/Ф1)=Г(2) линейная.

Для дифференциального управления (ДУ) световым потоком отражающей поверхностью автором предложен ВОК оригинальной конструкции с центральным расположением ПОВ в общем торце.

В пятой главе "Особенности физической реализации амплитудных волоконно-оптических датчиков для РКТ" рассмотрены конструктивные особенности амплитудных ВОП и ВОД перемещения, положения, частоты вращения, уровня жидкости, ускорения, давления, предложенные и разработанные при непосредственном участии автора.

Прнлцип конструктивной унификации заложен в большинство технических решений, рассмотренных в работе, когда базовая конструкция УУ или ЯП в целом используется в ВОД для контроля разнородных ФВ.

Рассмотрены конструктивная и структурная схемы разработанного ВОДП с компенсационным каналом. Датчик содержит корпус с закрепленными в нем рабочим (РЖ) и компенсационным (КЖ) жгутами ВОК. РЖ установлен напротив подвижной ЗОП, перемещающейся в соответствии с законом изменения ФВ X, а КЖ - напротив неподвижного зеркала. Если необходимо расширить диапазон измерений или удалить точку срабатывания от торца ВОД, в конструкцию вводится коллимирующая линза. В предложенном датчике значительно снижены погрешности, обусловленные изменением мощности ИИ и изгибами ОВ, так как указанные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в рабочем и компенсационных каналах, которые не влекут изменения их отношения. ИП разработанного ВОДП может быть использован в датчиках линейных и угловых перемещений, уровня жидкости, ускорений, давления, силы, температуры.

В ВОДЧВ отражательного типа скорость вращения определяется по скорости перемещения относительно ОВ чередующихся отражающих и поглощающих полос. Конструкция ВОДЧВ практически не отличается от конструкции ВОДП, более того, она сводится к конструкции ВОК с элементами крепления на объекте. Для обеспечения требуемых МХ определены количество р, ширина И отражающих полос и расстояние 1 между ними, толщина Н и радиус 11вала вала, на котором нанесены полосы, расстояние Ьв между торцом ВОК и поверхностью вала. Для обеспечения максимального перепада О ОС необходимо, чтобы Ь ^ 2Котр, 1 ^ 211отр, Н ^ 211отр, где Roтp=Lвtg0NA - внешний радиус освещенной поверхности. Для того, чтобы приемный торец ООВ был равномерно освещен, необходимо расположить его на расстоянии Ьв = 2Ьф. Тогда Ьв = (кЛцв^, ЯотР = (Зс, Ь а 2с1с, 1 г 2с1с, Пг2с1с. Если \\=1=2йс, то р=л11вала/2с]с.

Разработан простой ВОДУ, реализующий предложенный выше способ измерения уровня жидкости.

Разработана простая и надежная конструкция сигнализатора уровня жидкости. ЧЭ в нем выполнен в виде стержня из прозрачного материала диаметром О, один торец которого, соприкасающийся с жидкостью, выполнен в виде шарового сегмента. Световой поток от ИИ по ПОВ под углом ф вводится в стержень и передается по нему путем переотражения от границы двух сред до шаровой поверхности, отразившись от нее под уг-

лом« = —Бшф^ , возвращается по стержню к ООВ и ПИ. Относительный перепад интенсивностей СП, регистрируется. Чтобы перепад был максимальным, угол ввода излучения <р должен отвечать условию:

Максимальная ЧП будет обеспечена, ее-

ли ПОВ расположено в центре ВОК, а ООВ вокруг него. Поэто!

Экспериментальные исследования (ЭИ) показали, что выходная мо1 ность прямоугольно модулированного сигнала уменьшается в 2...3 раза щ погружении ЧЭ в жидкость. При отсутствии жидкости выходная мощное составила 41,6...48 пВг, при наличии - 19...23 нВт. Таким образом, переш сигналов приблизительно 10 дБ, что соответствует требованиям, предъя ляемым к ВОД со стороны ВОССД. Стоимость ВОДУ значительно нил аналогичных по функциональному назначению датчиков.

Рассмотрен осевой ВОА, ЧЭ которых представляет собой зеркальну] пластину, подвешенную на стержнях. Относительно нее с начальным заз< ром Хо установлены ПОВ и ООВ. На основе априорной информации о пр( дельном прогибе Хпред, полученной из условия обеспечения требуемой ГГ ОС, сформулированы требования к геометрии стержней подвеса и осноь ным параметрам ЧЭ. Минимальные размеры пластины ограничены макс! мальным диаметром сЬтр светового пятна на ЗОП, который определяете начальным зазором Хо и типом ОВ. Если ОВ имеет следующие харакгери стикн: КА=0,2; гс=100 мкм, а пластина изготовлена из стали 36НХТЮ размерами 10x10x0,2 мм (ш=44х10"6кг), то при длине стержня Ь=10-2м, изге товленного из стали (Е=74х1010 Н/м2), то с14=24х10"22ах/ХпРЕД. Для ЗОП пр1 начальном зазоре Хо=700 мкм предпочтителен прогиб Хпред=200 мкм. То гда при ах=Ю-^ 11=1,9 мм, при ax=10g 11=0,2 мм. Данное техническое реше ние.ВОП дает возможность разрабатывать ВОА, отличающиеся друг о' друга только диаметром с! стержней подвеса, на диапазоны от Ю-3 до 10§,.

С целью снижения неинформативных потерь излучения за счет умень шения поперечного сечения СП в зоне измерения предложено нспользоват] инерционную массу (ИМ) в виде сферической линзы, закрепленной с помо щыо упругих подвесов на корпусе акселерометра, относительно которо! напротив друг друга расположены ПОВ и ООВ по одному на каждое на правление. СЛ одновременно выполняет функцию ИМ и фокусирующегс элемента. Расстояния между поверхностью сферы и торцами ПОВ и ООЕ выбираются из условия обеспечения максимальных ЧП и ГМ ОС.

ИМ можно выполнить в виде прямоугольного параллелепипеда (ПП) При этом ПОВ и ООВ необходимо расположить напротив друг друга сс стороны противоположных граней ПП. Расстояния Ьх, Ьу, Ьг, на которых расположены излучающие и приемные торцы ПОВ и ООВ относительно граней, должны отвечать условиям: Ьх > АХшах, Ьу > АУтах, Ьг > А2тих. Для эффективного использования сечения ОВ необходимо, чтобы АХтахАУтах—А2тах-~с1с, ГДе АХтах, АУтах, А2тах - МаКСИМаДЬНЫе ОТКЛОНеНИЯ ИМ в направлениях X, У, Ъ.

Приемные торцы ПОВ подведены к ИИ, а излучающие торцы ООВ - к четырехоконному ПИ. Для снижения погрешности измерения, обусловленной изменением мощности ИИ, формируется компенсационный сигнал Фк, постоянный по величине, путем непосредственной передачи части светового

потока ИИ к одной из площадок ПИ по отдельному ОВ. На выходе ПИ формируются сигналы Jx=Sx<t>(X), JY=SY<t>(Y), Jz=SzO(Z), Jk=Sk<Pk, где Sx.Sy, Sz, Sk - интегральные токовые чувствительности ФП. Формируются сигналы Jx/JK=f(X), Jv/JK=f(Y), Jz/Jii=f(Z), не зависящие от изменения нзлу-чательной способности ИИ, пропорциональные значениям ах, ay, az, а.

В ВОДД отражательного типа под действием давления Р зеркальная мембрана прогибается на величину 6 относительно торцов ПОВ и ООВ, расположенных напротив нее в одной плоскости. Площадь светового пятна Sotp на поверхности мембраны ничтожно мала по сравнению с площадью мембраны, поэтому площадка Sotp перемещается перпендикулярно оптической оси ВОП. Световой поток Ф, попадающий в ООВ, равен

2

Ф=рФоХ8пр/4лгс[2(Х0-1р. i^f-ld)tg0NA-rc], (3)

16 1 Eh2 °

где Фд - СП на выходе ПОВ; рДо> h Е, ц, - коэффициент отражения, радиус и толщина мембраны; модуль упругости и коэффициент Пуассона материала мембраны соответсвенно, jSnp - суммарная площадь торцов ООВ, освещенная отраженным СП; 2Snp=nSnp, где п - количество ООВ.

Результаты экспериментальных исследований (ЭИ) показали, что изменение Хомежду ВОК и мембраной на доли миллиметра ведет к изменению ЧП в 2 и более раза, например, при Хо=0,8 мм ЧП в начале диапазона измерения составляет приблизительно ЗнВт/кгс/см2, а при Хо=1,0 мм 6 нВт/кгс/см2.

То обстоятельство, что основным параметром, определяющим изменение интенсивности СП, является расстояние Xi между мембраной и ВОК, а ЧП определяется расстоянием Хо, положено в основу конструктивной унификации по параметрам h и Ro. Задаваясь расстоянием Хо и значением прогиба мембраны бшах для заданных максимальных значений давления Р по формуле (3) находят значения h и Ro, при которых выполняется условие c№/dP = шах. Расчеты показали, что одну конструкцию ВОДД (с одним радиусом мембраны Ro) можно использовать для измерения давления в нескольких диапазонах, меняя при этом только толщину мембраны h.

К достоинствам такого ИП следует отнести простоту конструктивного исполнения. В то же время, любое изменение зазора Xq, обусловленное неточностью сборки и изготовления деталей ИП, может привести к аддитивной погрешности, а при изменении температуры окружающей среды - к мультипликативной погрешности. Результаты ЭИ датчика показали, что температурная погрешность (ТП) при воздействии пониженной до минус 60°С температуры составила 10% и не превышает 2% при воздействии повышенной до +60 °С температуры.

Даны рекомендации по улучшению метрологических характеристик ВОДД. Разработаны и использованы в реальных ВОДД новые конструктивные способы снижения ТП:

- основанный на поддержании постоянным значения расстояния ХоМ( жду торцом ВОК и мембраной за счет введения в конструкцию датчик прокладки высотой Ь, большей зазора Хо из материала с ТКЛР ст меш шим, чем ТКЛР ст материала мембраны. При этом должно выполняты условие Ь(1 +ат2ДТ)-(Ь-Хо)( 1+аТ|АТ)=Хо.

Если материал мембраны 36НХТЮ-Ш (ат1=14Т0 6 1/°С), прокладки 29НК (ат2=5-10-б 1/°С), Хо~0,7мм, ДТ = 100°С , то Ь - 1,1 мм.

- основанный на формировании с помощью линзы параллельного хол лучей, исключающего влияние изменения расстояния Хо.

На примере ВОДД шторочного типа с ДА доказана целесообразное! дифференциального управления СП в ВОП, позволяющего значительн снизить влияние на точность измерений неинформативных параметре внешней среды и изгибов ВОК, удвоить ЧП.

ВОДД отражательного и аттешоаторного типа имеют следующие ш достатки: нерысокую ЧП с!Ф/с1Р в связи с потерями в зоне измерения из-: расхождения СП в пределах апертурного угла ОВ и большую ТП. Сущее венную долю в эту погрешность вносит мембрана, что объясняется измен нием ее геометрических размеров и модуля упругости материала.

Большинство МХ может быть улучшено при использовании СЛ. Те< ретические исследования показали, что существенной ГМ (до 30 %) О можно добиться, перемещая СЛ в направлении Z относительно ПОВ и ОО приблизительно на 0,03с1с, например, если (1с=200 мкм, то перемещение г оси Ъ составит 10...30 мкм. Такие микроперемещения дают возможность и пользовать стеклянные мембраны или металлические мембраны малого р; диуса. Применение стекла позволяет свести ТП до минимума. Наприме для стекла марки С5-1 при изменении температуры в диапазоне от минус \ до +500°С относительное расширение материала составит 0,0026 %, а изм нение модуля Юнга приведет к погрешности, не превышающей 1%. Умен шится динамическая погрешность датчика, обусловленная инерционность мембраны при больших прогибах. Фокусирующие свойства линзы резк уменьшат неинформативные потери СП. Исчезнут технологические пр< блемы изготовления тонких мембран.

Предложена оригинальная конструкция ВОДД со СЛ, реализующе! дифференциальную схему преобразования ОС (рисунок 9).

В рекомендуемом варианте используются ОВ с с1с=200 мкм, СЛ ради сом гл=1 мм из кварцевого стекла с П2=пл= 1,47 и Г=3,33 мм, значения пар метров 1, и составляют 2 и 1,5 мм. Радиус кварцевой мембраны Яо = 4...5 м»

Предложена новая конструкция ВОДД на туннельном эффекте (ТЭ), работоспособная в условиях РКТ и не требующая сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.

ПОВ и ООВ укладываются под расчетными углом и радиусом относительно друг друга и мембраны и срезаются на определенную глубину со стороны мембраны.

Наиболее простые конструкции ВОД температуры (ВОДТ) получаются на основе управления СП с помощью ЗОП. Рассмотрен ВОДТ, где в качестве ЧЭ выступает дюралевая втулка длиною Lo, на одном торце которой жестко закреплен общий торец ВОК, а на противоположном - ЗОП. Если изменяется температура среды, то изменяется длина втулки на величину ДЬт. При гс=100 мкм ЗОП должна быть расположена на расстоянии Х^-700 мкм. Для обеспечения необходимых ЧП и ГМ ОС необходимо, чтобы ALt&IOOmkm. Если АТ=100 °С, aai=24xl0-6 град-', данное условие обеспечивается при Lo=40 мм.

В заключении отмечается, что рациональным зерном работы следует считать направленность ее на создание на единой методологической основе унифицированных, типовых базовых технических решений ВОД различных физических величин для ВОССД изделий РКТ.

В работе изложены научно обоснованные новые технические решения по созданию целого класса амплитудных ВОД, внедрение которых позволит создать ВОССД с качественно новыми полезным» свойствами, существенно повышающими эффективность ИИС изделий РКТ.

В приложениях приведены программы и результаты расчетов параметров ВОД на ЭВМ, конструкторская документация и фотографии экспериментальных образцов ВОД, в которых реализованы отдельные положения диссертации, акты внедрения результатов диссертации на предприятиях космической отрасли и оборонного комплекса, в учебном процессе.

Рис. 9 Дифференциальный волоконно-оптический датчик давления с оптико-механическим модулятором (сферической линзой) I - мембрана, 2 - штуцер, 3 - сферическая линза, 4 - подводяшее ОВ, 5 - отводящие ОВ, 6 - корпус, 7 - металлическая прокладка, И И - источник излучения, ПИ1, ПИ2 - первый и второй приемники излучения

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработана и реализована новая методика проектирования амплитудных ВОД, эксплуатируемых в условиях РКТ, основанная на выделении оптического канала ВОД как объекта управления, позволившая применить принципы стандартизации, унификации и типизации при разработке новых ВОД различных ФВ, существенно сэкономить при этом время и материальные ресурсы, добиться требуемых метрологических и эксплуатационных характеристик ВОД.

Предложен и реализован новый подход к проектированию ВОД, позволивший повысить метрологическую и механическую надежность ВОД, который предполагал отсутствие механических информативные и неинформативных изгибов ВОК

Разработана новая классификация амплитудных ВОП, в основу которой положено понятие "оптический канал", позволила более обоснованно подойти к проблеме стандартизации новых разработок ВОД.

Систематизированы стандартизируемые параметры ОС па входе п выходе н показатели назначения ИП ВОД. Даны рекомендации по техническим требованиям к амплитудным ВОД с вносимым затуханием.

Доказано, что требуемых значений вносимого затухания, глубины модуляции ОС, ЧП можно достичь целенаправленным управлением энергетическими и конструктивными параметрами ОК, обоснованным выбором и расчетами конструктивных параметров УУ.

Разработаны математические модели ВОП с открытым ОК, анализ которых показал, что изменяя определенным образом конструктивные параметры; можно целенаправленно управлять поведением модуляционной функции K=f(X, Z), добиваться максимальной ЧП при максимально достижимых линейности ФП и глубине модуляции оптического сигнала.

Разработаны алгоритмы проектирования ВОП отражательного, атте-нюаторного типов и на нарушении условия ПВО, обеспечивающие преемственность технических решений ВОД различных ФВ, позволяют свести все многообразие ВОП к минимальному номенклатурному набору.

Разработана методика расчета основных параметров амплитудных ВОД отражательного, аттешоаторного типов и на нарушении условия ПВО в оптических насадках: перемещения, положения, уровня и идентификации типа жидкости, частоты вращеиия, ускорения, давления, температуры.

Разработан метод энергетического расчета участка ВОССД с амплитудными ВОП с открытым ОК.

Разработаны новые методы улучшения MX и ЭХ ВОД: метод дифференциального управления СП непосредственно в зоне измерений за счет применения УУ в виде предельных ДА, дифференциальных оптико-механических модуляторов, оригинальных схем компоновки ОВ в ВОК; ме-чоды взаимной компенсации изменения параметров ОК; амплитудно-фазовый способ преобразования сигналов ВОП, конструктивно-технологические методы.

На основе полученных обобщений и проведенных исследований разработаны оригинальные конструкции амплитудных ВОД с открытым ОК, обеспечивающие требуемые метрологические характеристики и надежное функционирование ВОД в жестких условиях эксплуатации РКТ.

Результаты теоретических и ЭИ -использованы при разработке экспериментальных и опытных образцов ВОД. Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей экспериментальных образцов ВОД подтвердили большинство теоретических положений диссертации.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, накопленный опыт разработки и эксплуатации ВОД позволяют перейти к их широкомасштабному проектированию, производству и внедрению.

Внедрение разработанных и научно обоснованных новых технических решений амплитудных ВОД с повышенными МХ и ЭХ позволит создать помехозащищенные, искро- взрывобезопасные ВОССД с качественно новыми полезными свойствами, существенно повышающими эффективность информационно-измерительных систем изделий РКТ.

Работа способствует решению крупной научно-технической проблемы создания амплитудных волоконно-оптических датчиков с повышенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и внедрения их в ВОССД изделий ракетно-космической техники.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1 А. с. 1226060 СССР, МКИ3 в 01 В 21/00. Фотоэлектрический датчик перемещений/В.М.Чудов, Н.Д. Конаков, Т.И. Мурашкина, М.И.Леонова. Опубл. 23.04.86, Бюл. №15.

2 А. с. 1252652 СССР, МКИ3 й 01 В 7/00. Способ преобразования перемещения в фазу/А.В.Любомиров, Т. И. Мурашкина, Г.А.Киреева О.В.Корнеева. Опубл. 23.08.86, Бюл. № 31.

3 А. с. 1351418 СССР, МКИ3 0 01 В 21/00. Проходной соединитель/Т.И. Мурашкина, А.В. Любомиров, В.М. Косогоров. Опубл. 1989, (ДСП).

4 А. с. 1483255 СССР, МКИ3 в 01 В 21/00. Фотоэлектрический датчик перемещений/Т.И. Мурашкина, М.И. Леонова. Опубл. 30.05.89, Бюл. №20.

5 А. с. № 1562688 СССР, МКИ3 в 01 В 11/00. Оптический датчик пере-мещеннй/Т.И.Мурашкина, В.В.Блинов, М.В.Карпов. Опубл. 07.05.90, Бюл. №17.

6 А. с. № 1567872 СССР, МКИ3 О 01 В 11/00. Оптический датчик пере-мещений//Т.И. Мурашкина, Н.Д. Конаков, В.Ф. Роганов, А.О. Хаева. Опубл. 30.05.90, Бюл. №20.

7 А. с. 1589056 СССР, МКИ3 в 01 В 21/00. Оптический датчик перемещений с фазовым выходом / Н. Д. Конаков, А. В. Любомиров, Т.И.Мурашкина, М. И. Леонова. Опубл. 30.08.90, Бюл. №32.

8 А. с. № 1613850 СССР, МКИ3 в 01 В 11/00. Оптический датчик перемещений/Т. И.Мурашкина, Ю.А.Лапшов, О.В.Преснякова. Опубл.15.12.90, Бюл. № 46.

9 А. с. № 1693381 СССР, МКИ3 в 01 В 21/00. Фотоэлектрический да-чик перемещений / Т. И. Мурашкина, Н. Д. Конаков, О. В. Пресняков; Опубл. 23.11.91, Б юл. № 43.

10 А. с. № 1696853 СССР, МКИ3 в 01 В 11/00. Оптический датчик п< ремещений / Т. И. Мурашкина, В.В. Блинов, О.В. Пресняков; Опубл. 17.12.91, Бюл.№ 45.

11 А. с. № 1698645 СССР, МКИ3 С 01 В 21/00. Оптический датчик п< ремещеннй/Т.И.Мурашкина, М.В.Карпов, М.И.Леонова.Опубл. 15.12.9 Бюл. № 45.

12 А. с. № 1717959 СССР, МКИ3 в 01 В 21/00. Оптический датчик ш ремещений /Т. И. Мурашкина, О. В. Преснякова. Опубл. 07.03.92, Бюл. №9

13 А. с. № 1765689 СССР, МКИ3 в 01 В 11/00. Оптический датчик ш ремещений / Т.И. Мурашкина, М.В. Карпов, М.И. Леонова.0публ.30.09.9 Бюл. №36.

14 Лапшов Ю.А., Мурашкина Т. И. Оптоэлектронные датчики перем( щений // Приборы и системы управления. - 1990. - № 10.- С. 19.

15 Молчанов А.Г., Мещеряков В.А., Мурашкина Т. И. Теория, расчет проектирование измерительных приборов и систем / Учебное пособие. Пенза: Изд-воПенз. гос. ун-та.-1998,- 116 с.

16 Мурашкина Т. И. Оптоволоконный датчик перемещения с фазово обработкой выходных сигналов // ПТО. - 1986. - № 8.- ДСП- С. 53 - 56.

17 Мурашкина Т. И., Конаков Н. Д., Любомиров А. В. Амплитуднс фазовые датчики продольных перемещений с улучшенными метрологиче скими характеристиками // Методы и средства измерения механических па раметров в системах контроля и управления: Тез. докл. Зонал. научн.-тех! семинар. 18-19 января 1988. - Пенза, ПДНТП, 1988. С. 66-68.

18 Мурашкина Т. И., Конаков Н. Д., Карпов М. В. Амплитуднс фазовый оптический датчик продольных перемещений // Методы и средств измерения мех. параметров в системах контроля и управления: Тез. док: Межд.научн.-техн.конф.25-27 января 1989,-Пенза, ПДНТП, 1989. С.125-126

19 Мурашкина Т. И. Амплитудно-фазовые датчики перемещений Приборы и системы управления. - 1989. - № 8,- с. 29-31.

20 Мурашкина Т.И. Малогабаритные оптические датчики продольны перемещений // Оптические сети связи: Материалы Всесоюз. конф. - М ЦНИИ связи, 1991.

21 Мурашкина Т. И. Оптические датчики продольных перемещений , Методы и средства измерения механических параметров в системах контро ля и управления: Тез. докл. Зонал. научи,- техн. семин. 22-23 января 1990. Пенза, ПДНТП, 1990. - С. 12 - 13.

22 Мурашкина Т. И. Оригинальная конструкция рефлексометрическоп первичного измерительного преобразователя // Методы и средства измере ния механических параметров в системах контроля и управления: Тез. докл Всесоюз. научн.-техн. конф. 20-22 января 1992.- Пенза, ПДНТП, 1992.

23 Мурашкина Т. И. Исследование погрешностей оптического датчик; продольных перемещений // Методы и средства измерения механически;

параметров в системах контроля и управления: Тез. докл. Всесоюз. научн.-техн. конф. 20-22 января 1992. - Пенза, ПДНТП.

24 Мурашкина Т. И., Каршаков В.П. Перспективы использования ВОД в ВОССД И Методы и СИ механических параметров в системах контроля и управления: Тез. докл. Меж. научи.-техн. конф. 1994.-Пенза, ПДНТП, 1994.

25 Мурашкина Т. И. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости II Радиотехника.- 1995,- № 10. - С. 34-35.

26 Мурашкина Т. И., Каршаков В. П. Перспективы использования ВОД в ВОССД// Межвуз. сб. науч. тр./Пенз. гос. тех.ун-т. 1995.-№15.-С.8-10.

27 Мурашкина Т. И., Каршаков В. П., Артемов Ю. А. Волоконно-оптические датчики для внутриобъектовых волоконно-оптических сетей сбора данных // Радиотехника.- 1995,-№ 10. - С. 29-31.

28 Мурашкина Т. И. Волоконно-оптическая система измерения уровня жидкости // Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем: процессы, модели, эксперимент. - 1997. - № 2 (4) - С. 48-52.

29 Мурашкина Т. И., Новиков В.В., Баранов С.С. Методы и средства измерения механических величин / Методические указания к лабораторным работам. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та.-1998.- 32 с.

30 Мурашкина Т.Н. Выбор параметров амплитудных ВОД для ВОССД II Российский космический бюллетень, 1998. - ДСП -№2.

31 Мурашкина Т. И. Волоконно-оптическая система предотвращения погасания пламени в реактивных двигателях II Точность технологических и транспортных систем: Материалы IV Межд-ой науч.-техн. конф. 4-5 июня 1998,-Пенза: изд-во Пенз.гос.ун-та,1998.-Ч2.-С.88-89.

32 Мурашкина Т. И. Повышение надежности Н Точность технологических и транспортных систем: Материалы IV Межд-ой науч.-техн. конф. 4-5 июня 1998.- Пенза: изд-во Пенз. ГУ, 1998.-Ч2,- С. 92-93.

33 Мурашкина Т. И. Состояние и проблемы ВО датчикостроения // Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. Всероссийск. науч.-техн. конф. 24-26 ноября 1998,- Москва, 1998.-С.183-184.

34 Мурашкина Т. И. Особенности построения амплитудных ВОД // Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. Всероссийск. науч.-техн. конф. 24-26 ноября 1998.-Москва, 1998.-С.185-186.

35 Мурашкина Т. И., Мещеряков В. А., Баранов С. С. Волоконная оптика и будущее автомобиля II Точность технологических и транспортных систем: Материалы IV Межд-ой науч.-техн. конф. 4-5 июня 1998,- Пенза: изд-во Пенз. гос. уи-та, 1998,- 42. С. 92-93.

36 Мурашкина Т. И. Теория, расчет и проектирование волоконно-оптических измерительных приборов и систем / Учебное пособие,- Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. -133 с.

37 Мурашкина Т. И. К вопросу применения терминов при проектировании волоконно-оптических средств измерения // Элементы и приборы систем измерения и управления автоматизированных производств: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 4 -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999.-С.69-74.

38 Мурашкина Т. И. Мурашкина Е.А. Способ повышения точносп ВОД // Оптический журнал. - ]999.-Том 66.-№1.- С. 59-61

39 Мурашкина Т.И., Мещеряков В. А., Мурашкина Е. А. Дифференци альный ВОД давления с оптико-механическим модулятором // Методы I средства измерения в системах контроля и управления: Материалы Межд ой науч.-техн. конф. 22 - 23 апреля 1999,- Пенза, ПДНТП, 1999.- С. 15-17

40 Мурашкина Т. И. Мурашкина Е. А. Способ снижения температур ной погрешности ВОД давления // Элементы и приборы систем измерения I управления автоматизированных производств: Межвуз. сб. науч. тр. Вып.4 Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - С. 54-57.

41 Мурашкина Т. И., Новиков В. В., Цибизов П. В. Проектироваиш волоконно-оптических датчиков давления и перемещения / Методические указания к курсовому проекту.- Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999.-57с.

42 Мурашкина Т. И., Волчихин В. И. Амплитудные ВОД автономны? систем управления: Монография.-Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999.-188с

43 Мурашкина Т.И., Мещеряков В. А., Мурашкина Е. А. Дифференци альный волоконно-оптический датчик давления с оптико-механическим модулятором // Датчики систем измерения контроля и управления: Межвуз. сб. науч. тр. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000.

44 Патент РФ № 1260664, МПК6 в 01 В 7/00. Способ преобразования перемещение - фаза / В.М.Чудов, Т.И. Мурашкина, Н.Д. Конаков. Опубл. 30.09.86, Бюл. № 36.

45 Патент 1647250 РФ, МПК6 в 01 В 21/00. Оптический датчик перемещений с фазовым выходом / Н. Д. Конаков, Т. И. Мурашкина, Г. А. Ки-реева. Опубл. 07.05.91, Бюл. № 17.

46 Патент РФ 1670408, МПК6 О 01 В 21/00. Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещения / Н. Д. Конаков, А. Н. Трофимов, Т. И. Мурашкина, Г. А. Киреева. Опубл. 15.08.91, Бюл. № 30.

47 Патент РФ № 1707471, МПК6 С 01 В 21/00. Оптический датчик перемещений/Т. И. Мурашкина, М. В. Карпов. Опубл. 23.01.92, Бюл. № 3.

48 Патент РФ № 2044264, МКИ в01 В 21/00. Оптический датчик перемещений / Т.И. Мурашкина, О.В. Преснякова. Опубл. 20.09.95, Бюл.№ 269.