автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Дифференциальные волоконно-оптические датчики давления отражательного типа

На правах рукописи □030682 17

Коломиец Лев Николаевич

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА

Специальность 05.13.05 - «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003068217

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Бурков Валерий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Меркишин Геннадий Васильевич;

доктор технических наук, профессор Котов Юрий Терентьевич

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт космических систем - филиал Государственного космического научно-производственного центра им. М.В. Хруничева

Защита диссертации состоится 18 мая 2007 года, в 14 00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.146.04 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, г.Мытищи-5, Московская обл., ул. 1-я Институтская, д.1, МГУЛ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ

Автореферат разослан (f?¿7. (Р^,_2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета_^" _ ^^¡^-р

кандидат технических наук, доцедр<^^ "V/ П. А. Тарасенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Создание и внедрение на отечественных объектах ракетно-космической, авиационной и др. техники волоконно-оптических информационно-измерительных систем предполагает разработку волоконно-оптических датчиков различных физических величин: давления, перемещения, скорости, ускорения, уровня жидкости, частоты вращения, силы, температуры.

Отсутствие широкой номенклатуры волоконно-оптических датчиков и недостаточные темпы в области их разработок в ближайшие годы станут сдерживающим фактором создания и внедрения волоконно-оптических информационно-измерительных систем. Поэтому существует настоятельная потребность в быстрейшем создании волоконно-оптических датчиков различных типов, пригодных для промышленного освоения и сопрягаемых как с традиционными, так и вновь разрабатываемыми волоконно-оптическими информационно-измерительными системами, системами управления, контроля, диагностики и аварийной защиты.

Основное преимущество волоконно-оптических датчиков перед электрическими обусловлено их возможным использованием в ситуациях, в которых электронные устройства либо вообще нельзя использовать, либо такое использование сопровождается значительными трудностями и расходами. Волоконно-оптические датчики характеризуются обеспечением чрезвычайно высокого уровня безопасности при эксплуатации в потенциально искро- пожаро - и взрывоопасных условиях. Важнейшим достоинством волоконно-оптических датчиков является

невосприимчивость их к высокочастотным электромагнитным и импульсным помехам. Внедрение волоконно-оптических информационно-измерительных систем необходимо для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту летательных аппаратов.

Контроль давления на борту летательных аппаратов занимает до 50 % от общего числа всех измерений, поэтому создание волоконно-оптических датчиков давления для изделий ракетно-космической и авиационной техники с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками является актуальной задачей.

Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: Буркова В.Д., Бусурина В.И., Бутусова М.М., Гречишникова В.М., Жилина В.Г., Зака Е.А., Конюхова Н.Е., Малкова Я.В., Мурашкиной Т.И., Патлаха А.Л., Потапова В.Т., Удалова Н.П. и других. В то же время в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования

волоконно-оптических датчиков давления для изделий ракетно-космической, авиационной и др. техники.

На основании исследований принципов преобразования измерительной информации в изменении параметров оптического сигнала определено, что наиболее эффективно реализуются волоконно-оптические датчики давления, принцип действия которых основан на модуляции интенсивности светового потока под действием измеряемой физической величины. Большинство схем амплитудной модуляции не требует когерентных источников излучения.

Основным недостатком, ограничивающим использование амплитудных волоконно-оптических датчиков давления, является то, что на точность измерения оказывают влияние внешние влияющие факторы и стабильность источника излучения. Использование компенсационных и дифференциальных схем, а также возможность проведения многопараметровых измерений за счет применения большого количества амплитудных волоконно-оптических датчиков позволяют повысить точность измерений.

Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа составляют самую обширную группу среди амплитудных волоконно-оптических датчиков давления, что объясняется совершенной технологией изготовления отражающих поверхностей. Наибольшее распространение получили зеркальные отражающие поверхности, не вносящие заметных неинформативных потерь светового потока в процессе измерения.

Существенным недостатком известных технических решений волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа является большая дополнительная не исключенная погрешность, обусловленная изменениями геометрических параметров и упругих свойств металлической мембраны при изменении температуры окружающей и или измеряемой среды.

До настоящего момента не удавалось реализовать дифференциальную схему преобразования в волоконно-оптических датчиках давления отражательного типа.

Цель и задача, исследования и разработки

Целью диссертационной работы является разработка дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической, авиационной и др. техники.

В соответствии с целью была сформулирована научная задача, решаемая в работе, - исследование и разработка научно обоснованных технических решений волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа, реализующих дифференциальное преобразование оптических сигналов.

Для решения поставленной задачи проведены следующие исследования и разработки:

- разработаны структурные, математические модели и алгоритмы дифференциального преобразования сигналов волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа;

- разработан дифференциальный способ повышения точности измерений волоконно-оптических датчиков давления на основе дифференциального управления световым потоком в оптическом канале;

- проведены исследования конструктивных параметров волоконно-оптических преобразователей давления, обеспечивающих дифференциальное преобразование сигналов и высокую чувствительность преобразования оптических сигналов;

- разработана новая конструкция дифференциального волоконно-оптического датчика давления, в котором уменьшено влияние изменения мощности оптического излучения источника излучения, уменьшено влияние изменения геометрических и упругих характеристик мембраны при воздействии внешних дестабилизирующих фактов и механических деформаций волоконно-оптического кабеля;

- выведена аналитическая зависимость между выходным и входным сигналами дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа;

проведен теоретический анализ метрологических и эксплуатационных возможностей дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа;

- проведены экспериментальные исследования макетных образцов дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для подтверждения теоретических и расчетных данных;

- осуществлена практическая реализация полученных результатов.

Методы исследований

При разработке математических и физических моделей волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа использовались основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, применялись методы математической физики, теории упругости, прикладной механики. При решении задач по синтезу и анализу волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа 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. Теоретические положения и результаты расчетов

подтверждены экспериментальными исследованиями лабораторных макетов волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами.

1 Алгоритм дифференциального преобразования оптического сигнала в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа отличается тем, что световой поток одного и того же источника излучения делится на два потока, которые независимо друг от друга преобразуются под действием одной и той же физической величины, но с помощью разных модулирующих элементов: зеркально отражающей поверхности, перемещающейся перпендикулярно оптической оси первого светового потока, и зеркально отражающей поверхности, перемещающейся под углом к оптической оси второго светового потока.

2 Способ дифференциального преобразования сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа основан на том, что два канала дифференциальной схемы находятся в одинаковых рабочих условиях, воспринимают одну и туже измеряемую физическую величину (давление), с помощью одного и того же чувствительного элемента (мембраны) преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения, но при этом первый измерительный канал регистрирует перпендикулярное перемещение центральной части зеркальной поверхности мембраны, а второй измерительный канал - угловое перемещение периферийной части зеркальной поверхности той же мембраны.

3 Комплекс функций преобразования волоконно-оптических преобразователей давления учитывает параметры, взаимное расположение и количественное соотношение подводящих и отводящих оптических волокон, начальное расстояние от общего торца оптических волокон до зеркальной отражающей поверхности.

4 Методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа, основана на том, что исходя из условия равенства расстояний, которые проходят отраженные лучи первого и второго измерительного канала в противоположных направлениях, определяется расстояние между оптическими осями волоконно-оптического преобразователя линейного и углового перемещений.

Практическая значимость работы

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Московском государственном университете леса, и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа и

внедрения их в волоконно-оптические информационно-измерительные системы изделий ракетно-космической, авиационной и др. техники.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках договоров №78 от 15.05.91 г., №9402 от 25.05.91 г., №94-03 от 01.08.91 г. между МПО «МАНОМЕТР», г. Москва и ТОО «ПАС», г. Москва (ОКР «Разработка измерительных преобразователи давления с диапазоном верхних пределов измерения от 1 до 100 МПа», ОКР «Разработка и передача КД блока преобразования электронного для датчиков давления и разности давления», ОКР «Разработка принципиальных электрических схем опытных образцов трех микросборок - функциональных узлов блока преобразования электронного для датчиков давления и разности давления»), между АООТ «ТЕПЛОПРИБОР», г. Рязань и ООО «Приборы Автоматизированных Систем ПАС», г. Москва (№01/99 от 29.10.99 г. ОКР «Комплекс унифицированных преобразователей давления», №2-02 от 05.07.2002 г. ОКР «Разработка однопредельного преобразователя давления» и №02-05 от 19.04.2005 г. ОКР «Разработка помехоустойчивых преобразователей «Сапфир - 22Р»), №01-04/АС от 27.08.2004г. между ЗАО «Инженерный центр «Атомпром», и ООО «Приборы Автоматизированных Систем ПАС», г. Москва (ОКР «Разработка устройств подавления помех первичных преобразователей давления систем контроля и управления атомных станций»).

Диссертация выполнялась и реализовывалась при выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» в форме гранта Федерального агентства по образованию. № Г.Р. 01.2.006 10437 «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом».

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к их промышленному проектированию, производству и внедрению.

Реализация результатов работы

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании макетных образцов волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для измерения избыточного давления в диапазонах 0...0,5; 0...1.0; 0...1.5; 0...2.8 МПа: шифр ВОДД-Д-001 иВОДД-Д-002.

Элементы теории проектирования, материалы по расчету волоконно-оптических датчиков давления использованы в НИР «Разработка теории

распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», ряда ОКР, а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы» на кафедре «Приборостроение» ПТУ.

Апробация работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Второй Всероссийской НТК «Датчики и детекторы для АЭС» (г. Пенза, 2004г.), Международной НТК «Датчики и системы-2005» (г. Пенза, 2005 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы-2006» (г. Москва, 2006 г.), на НТК профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ (г. Москва 2006, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 научно-технический отчет. Без соавторов опубликовано 2 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, восемь приложений. Основная часть изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 9 таблиц. Список литературы содержит 87 наименований. Приложения к диссертации занимают 17 страниц.

На защиту выносятся:

1 Структурная и математическая модели, алгоритмы дифференциального преобразования оптических сигналов волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа.

2 Дифференциальный способ преобразования оптического сигнала от одного источника излучения в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа.

3 Методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа.

4 Научное обоснование и новые технические решения дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа, обеспечивающие высокие метрологические и эксплуатационные характеристики для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической, авиационной и др. техники.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе обобщены и систематизированы известные сведения о состоянии вопроса в области создания и использования волоконно-оптических датчиков для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической, авиационной и др. техники.

Дано обоснование выбора дифференциальных волоконно-оптических преобразователей с открытым оптическим каналом отражательного типа для решения поставленных задач.

Специфику выбора предмета исследований определяют требования уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей, высокого уровня безопасности при эксплуатации в потенциально искро- пожаро - и взрывоопасных условиях, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных и импульсных помех, механических факторов и перепадов температур.

Определен предмет исследований - дифференциальные волоконно-оптические преобразователи и датчики давления отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала под действием измеряемого давления.

Во второй главе проведена математическая формализация процесса распределения светового потока в волоконно-оптических преобразователях.

Модуляция интенсивности светового потока волоконно-оптического преобразователя линейного перемещения, когда освещенная зеркальная отражающая поверхность перемещается в направлении X относительно торцов оптических волокон (ОВ), происходит следующим образом (рисунок 1). Лучи света (на рисунке 1, а габаритные лучи 1 и 2) от подводящего оптического волокна (ПОВ) проходят в прямом направлении путь Ь(Х)12 до отражателя и путь Ь(Х)/2 в обратном направлении до отводящего оптического волокна (ООВ) под апертурным углом ©ду к оптической оси волокна (рисунок 1, а, е). При этом в плоскости приемного торца ООВ наблюдается освещенная кольцевая зона шириной И=2гс, внешний радиус которой Лвнеп 1=2^-^0^.где X, - текущее значение расстояния от зеркала до ОВ, гс - радиус сердцевины ОВ.

При этом изменяется положение кольцевой зоны относительно ООВ в направлении 2, которое ведет к изменению площади 5Пр приемного торца ООВ, освещенной отраженным от зеркала световым потоком, т.е. Бх\\,=/{Х).

ф(х)

оов

Явнеш

оов

Рисунок 1 - Модуляция светового потока зеркальной поверхностью мембраны, перемещающейся перпендикулярно оптической оси ОВ.

Таким образом, происходит преобразование: X * 2 ►¿'к, 5"пр 1

Фон

Ф(Х)

Функция преобразования волоконно-оптического преобразователя линейного перемещения имеет вид

Ф(Х) =К(Х) Фоь (1)

где К(Х) - коэффициент передачи тракта "ПОВ - зеркальная отражающая поверхность - ООВ"; Ф01 - световой поток, введенный в зону измерения волоконно-оптического преобразователя линейного перемещения.

При Фо\=сот1 поведение функции преобразования Ф(Х) будет оцениваться по поведению функции передачи оптического тракта, то есть коэффициента К(Х), в диапазоне измерения.

Рассмотрено, каким образом можно изменять вид функции преобразования К=/(Х) с учетом геометрических построений, приведенных на рисунке 1.

Определено

к

(2)

^К к

где р - коэффициент отражения зеркальной поверхности; 2 ^пр - суммарная площадь приемных торцов ООВ, освещенная отраженным от зеркала световым потоком; 5пр=51+5г; /=1 ...к - количество ООВ; 5К -площадь кольцевой зоны в плоскости приемных торцов ООВ;

$к=4яг(<2Я&0Л<-гс). (3)

Площади 5*1 и 52 представляют собой круговые сектора, образованные взаимным пересечением двух окружностей: диаметром, равным диаметру 2гс сердцевины ОВ, и диаметром 2Я, равным внешнему диаметру освещенной круговой зоны, образованной отраженными лучами в плоскости общего торца ОВ, и хорды АВ длиной а. В соответствии с рисунком 2

2 г2

5 Л ^ 5 _с_гяа_я.ло)< (4)

1 2 180 ' 2 2 180 Н°5"г2=Й' 5г>г|=2Г' Р = а = 2агсзт~. (5)

с

С учетом выражений (4), (5):

^пр-Д— 2

л .а . „ . а , — «г«/л — - Б1п(2агс$1 п —)

г2 с

л .а ... .а

— вг«ги--нпиагсйг п-

90 2г 2г

с с

(6)

В соответствии с рисунком 1, в и известной формулой: п —

0'С=—+ с 2и—> где£)=00\ Из треугольника АО'С

Коэффициент преобразования К{Х) с учетом выражений (3) и (6):

К(Х)=-В--х (8)

4жгс(2Хл8вш-гс)

к Я2 '¿к

ж .а . . а .

—агсят--Бтиагсэт —)

90 2Я 2К}

г2 2

—агсзт —— $т(2агс$т ) 90 2г 2г

с с

Если начальное положение мембраны Хо соответствует моменту, когда габаритные лучи 1 и 2 попадают на поверхность ООВ, а луч 1 в диапазоне измерения перемещается вдоль оси Ъ по поверхности приемного торца ООВ из положения 1'„ в положение Гк, то Я=Явнеш (рисунок 1, а). В этом случае Л определяется выражением (1).

Модуляция интенсивности светового потока волоконно-оптического преобразователя углового перемещения (рисунок 2), когда освещенная зеркальная отражающая поверхность перемещается под углом а относительно торцов ОВ, происходит аналогичным способом, как в волоконно-оптическом преобразователе линейного перемещения (рисунок 1). Только в этом случае кольцевая зона преобразуется в эллипсоидную, которая смещается относительно ООВ в направлении 2.

Происходит следующее преобразование:

а -► г-► 5э, 5пр -> (+) -*Ф(а)

Фог '

Функция преобразования волоконно-оптического преобразователя линейного перемещения Ф(а) имеет вид

Ф(а) =#(а)Фо2, (9)

где К(а) - коэффициент передачи тракта "ПОВ - зеркальная отражающая поверхность, перемещающаяся под углом а, - ООВ"; Фог - световой поток, введенный в зону измерения волоконно-оптического преобразователя линейного перемещения. Очевидно, что при Фог=сопз( вид функции преобразования Ф(а) будет определяться видом функции передачи оптического тракта, то есть коэффициента К(а), в диапазоне измерения.

Эллипсоидная зона имеет переменные полуоси, размер которых зависит от значения угла а. В волоконно-оптических преобразователях давления зеркальная отражающая поверхность периферийной части мембраны, освещенная световым потоком от ПОВ, ничтожно мала в сравнении с размерами мембраны, поэтому можно считать, что при прогибе мембраны растягивается только одна полуось эллипса, расположенная по диаметру мембраны, а вторая полуось, перпендикулярная диаметру мембраны, остается неизменной.

Рисунок 2 - Модуляция светового потока зеркальной поверхностью мембраны, перемещающейся относительно оптической оси ОВ под углом а

С учетом геометрических построений, приведенных на рисунке 2, имеем

От

где 5э- площадь эллипсоидной зоны в плоскости приемных торцов ООВ.

5ПР=51+5'2 (11)

Площади 5] и 5г представляют собой сектора, образованные взаимным пересечением окружности радиусом, равным радиусу гс сердцевины ООВ, и эллипса, образованного отраженными лучами в плоскости общего торца ОВ, большая полуось которого К-з, а малая гэ, и хорды АВ длиной а. Большая полуось определяется выражением

Кэ=Лсо эос, (12)

а малая полуось определяется выражением гэ = г(:.

Если начальное положение отражателя Хо соответствует моменту, когда габаритные лучи 1 и 2 попадают на поверхность ООВ, а луч 1 в диапазоне измерения перемещается вдоль оси Z по поверхности приемного торца ООВ из положения Гн в положение 1 соответствующие крайнему левому и крайнему правому положению луча 1 относительно внешней границы ООВ, то Л=Лэвнеш- В этом случае Кэ определяется выражением

•^ЭВНЕШ_^ВНЕШСОЗО!.

В соответствии с рисунком 2 имеем

_ (Ясоьа) 2

180

, л/

=—(-2 2 180

йту)-

Но =

-. вт — = -—, соответственно

Шсова' 2 2 г

с

(13)

(14)

Р = 2 агсэт

а

у - 2агс$1п -—. ' 2 гг

С учетом выражений (14) и (15) выражение (11) примет вид:

(ЯсоБаУ

пр

„2

л . Ъ

—агат —-

90 2Лсоза

-5Й(2аГС,н"И

2Лсо 5 а

—агсвт —— $т(2агс$1п-^— ) 90 2г 2г

с с ]

В соответствии с рисунком 2, в и известной формулой:

где £>/=00'.

2

Д г2-(Л ««я)2

2Д

(15)

(16)

Из треугольника АО'С и с учетом того, что прогиб центральной части мембраны Ж небольшой, и можно считать, что а

Д

Ь=АВ=2

где Я - радиус круглой мембраны.

ГС2-(ЛС08— )2

с Л

_М \

2Д ^

(17)

Коэффициент преобразования Да) с учетом выражения (15) определится:

К(а)=

к

X I г = 1

(Я со бог)

71 Ъ

—ягаг/г--

.90 тсоъа

О

- зт(2агс$т

(18)

2йсоза J

— агсвт —— яги (2 агсвт 90 2г 2 г

с с

В третьей главе предложен новый способ дифференциального преобразования сигналов в волоконно-оптическом преобразователе давления отражательного типа, когда два канала дифференциальной схемы находятся в одинаковых рабочих условиях, воспринимают одну и туже измеряемую физическую величину (давление), с помощью одного и того же чувствительного элемента (мембраны) преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения, но при этом первый измерительный канал реагирует на перпендикулярное перемещение центральной части зеркальной поверхности мембраны, а второй измерительный канал - на угловое перемещение периферийной части зеркальной поверхности той же мембраны.

В этом случае в волоконно-оптическом преобразователе давления отражательного типа происходят следующие преобразования:

г---Ф10Н)-"Ш-

— VI——Ф1-

■Ф-

1=11-12

►ьсо-

ф2+—

Доказано, что дифференциальное преобразование сигналов в волоконно-оптическом преобразователе давления отражательного типа, реализуется в том случае, когда расстояние, которое проходят отраженные лучи первого измерительного канала в направлении - Х\, приблизительно равно по абсолютной величине расстоянию, которое проходят отраженные лучи второго измерительного канала в направлении +2г (рисунок 3).

При этом отраженные лучи должны перемещаться в

противоположных направлениях:

-г,,

значения перемещении отраженных лучей в соответственно:

где 2ц и 221 - текущие направлениях 2\ и

=

51па

аш +«)

(Ди - -

+2«)

-

Рисунок 3 - Конструктивная схема дифференциального волоконно-оптического преобразователя давления отражательного типа

Из равенства выражений (19) и (20) найдено расстояние А между оптическими осями подводящих ОБ, при котором осуществляется дифференциальное преобразование сигналов.

А~

-+

созШ^ + 2а)

зт 2{®т +а) соя©Л,

соз{0^+а)

(21)

эта

Расстояние А должно быть меньше радиуса мембраны датчика, то есть должно выполняться условие А<Я^:

'(¿ов-Ф^^ >о5(0,,-ь 2а)

ли

У

¡¡пЩ^+а] < 1

в

качестве примера рассмотрен волоконно-оптический преобразователь давления отражательного типа с круглой мембраной и оптическими волокнами с параметрами: диаметр оптического волокна

с?ов=500мкм, диаметр сердцевины оптического волокна с/с=200 мкм, апертурный угол ®ш=\2°, Х0=930 мкм,

Проведены вычисления для указанного примера:

Хл>

400W

+ 2х0 -0.2

1-9; то есть 930мкм >550мкм .

Сделан важный методологический вывод: так как условие выполняется, следовательно, существует такое расстояние А, при котором возможно дифференциальное изменение оптических сигналов в первом и втором измерительных каналах.

Выведена функция преобразования дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа с учетом того, что в зону измерения первого и второго измерительных каналов направляются световые потоки от одного и того же источника излучения, а также используются приемники излучения одного типа:

[1ш1 (Р) - /пиг (Р)1/[1пю(Р)+1т,т О3)] = (22)

¡ = 1 2

л .а . . а .

—arcsin--sinilarcsin —)

.90 2R 2R .

л .a . . a ,

—arcsin--sin(2arcsin-)

90 2r 2 r

с с .

-Л

Ли

к

X Е í = l

(Reos а Г

я . Ъ

—arcsin-

90 2i? cos«

- sin(2arcsin

2R cos a

— arcsin—— sin(2arcsin 90 2r 2 r

с с .

к N?2 =[ S — / = 1 2

7t .a ... . a . — arcsin —■ - sin(2arcsm —) L90 2R 2R .

л .a . . a .

— arcsin--sin(2arcsm-)

90 2r lr

с с .

k

+ - X I

i = 1

(iJcosar)

я . b

—arcsin-

.90 2R cosa

- sin(2arcsin

2Rcosa

—arcsin —— sinilarcsin

90 2r 2 r

с с .

где R=RBm]}1=2XitgQNA, a - определяется выражением (7), Ъ - выражением (17).

Анализ выражения (22) показывает, что вид функции преобразования ВОДД определяется переменными параметрами а, b и R, которые зависят от прогиба мембраны, и постоянными параметрами:

- радиусом сердцевины гс, внешним диаметром с?ов, апертурным углом ОВ (т.е. типом используемого ОВ);

- количеством к ООВ;

- расстоянием Б между оптическими осями ПОВ и ООВ волоконно-оптического преобразователя линейных перемещений;

- расстоянием А между оптическими осями ПОВ и ООВ волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений;

- начальным расстоянием х0 между торцом ОВ и отражающей поверхностью;

- расстоянием А между оптическими осями волоконно-оптического преобразователя линейного и углового перемещений.

В четвертой главе разработана структурная схема дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа, приведенная на рисунке 5.

В состав датчика входит дифференциальный волоконно-оптический преобразователь давления и согласующее устройство. В волоконно-оптический преобразователь давления входят волоконно-оптический кабель и чувствительный элемент - мембрана. Волоконно-оптический преобразователь давления условно разделен на волоконно-оптический преобразователь линейного перемещения (первый измерительный канал) и углового перемещения (второй измерительный канал).

Согласующее устройство (СУ) предназначено для преобразования электрического сигнала в оптический и оптического - в электрический и состоит из источника излучения ИИ и двух приемников излучения ПИ1 и ПИ2 первого и второго измерительных каналов соответственно. В волоконно-оптическом датчике давления с оптическим выходом согласующее устройство располагается в корпусе блока преобразования информации (БПИ), а в волоконно-оптическом датчике давления с электрическим выходом - в электрическом разъеме датчика.

БПИ служит для питания элементов СУ и преобразования сигнала с выхода СУ в стандартный электрический сигнал (например, 0...6 В) и состоит из сумматора Е, делителя Д и вычитающего устройства ВУ.

Принцип действия дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа следующий. Световые потоки Ф01 и Ф02 от источника излучения по подводящим оптическим волокнам ПОВ 1 и ПОВ2 направляются к отражающей поверхности центральной и периферийной частей мембраны соответственно. Под действием давления Р мембрана прогибается в центре на величину IV. При этом в центральной части изменяется расстояние X, а в периферийной - угол а между оптическими волокнами и мембраной, что ведет к изменению интенсивности отраженных от зеркальной поверхности мембраны световых потоков Ф^-А^Ф^Р) и Ф2(а)=Ф2(Р) соответственно.

и =

J.(P)+J,(P)

БПИ /|(Л

В У

НР)

вопд

Мембрана

воплп

Центральная часть мембраны

Периферийная часть

мембраны

ВОПУП

Рисунок 5 - Структурная схема

дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа

По ООВ1 и ООВ2 световые потоки Фш(Л0 и Фог(а) поступают на приемники излучения ПИ1 и ПИ2 первого и второго измерительных каналов соответственно. На ПИ1 формируется сигнал Ж(Р), на ПИ2 - сигнал У2(Р)- Электрические ^{Р) и У2(Р) поступают на вход БПИ, где осуществляется операция деления разности сигналов первого и второго

измерительных каналов к их сумме V = : —, что позволяет

Jl(P)+J2(P),

компенсировать изменения мощности излучения светодиода и потери светового потока при изгибах волоконно-оптического кабеля ВОК, так как их отношение не зависит от указанных факторов.

Для подтверждения теоретических положений диссертации по определению конструктивных параметров дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа, а также для определения количества и взаимного расположения оптических волокон в торцах волоконно-оптического кабеля была разработана измерительная установка со специально разработанным оптическим тестером.

Проведены экспериментальные исследования макетных образцов дифференциальных ВОДД отражательного типа, изготовленных по разработанной конструкторской документации.

Снимались значения оптической мощности при изменении прогиба мембраны при использовании разных конструкций волоконно-оптического кабеля и мембран с разными геометрическими размерами. По полученным результатам были построены графические зависимости Щ^ДХ) и первого и второго измерительных каналов.

Результаты экспериментальных исследований разработанного макетного образца дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа показали, что:

- оптическая мощность ИГ1 уменьшается при увеличении прогиба центра мембраны, а оптическая мощность наоборот - увеличивается.

- изменение расстояния ха между ВОК и мембраной на 0,1...0,2 мм ведет к изменению чувствительности преобразования в 2 и более раза;

- перемещая центр мембраны вдоль оси X на 0,5с/с можно добиться существенной (до 30 %) глубины модуляции оптического сигнала;

- целесообразно использовать волоконно-оптический кабель, в котором три подводящих оптических волокна и четыре отводящих оптических волокна, в этом случае чувствительность преобразования и глубина модуляции оптического сигнала выше.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили теоретические положения диссертации.

В заключении отмечается, что в работе изложены научно обоснованные новые технические решения по созданию дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа, имеющих метрологические и эксплуатационные характеристики, внедрение которых

позволит создать волоконно-оптические информационно-измерительные системы для ракетно-космической, авиационной и др. техники с качественно новыми свойствами.

В приложениях приведены программы и результаты расчетов параметров дифференциального волоконно-оптического датчика давления на ЭВМ, конструкторская документация и фотографии макетных образцов дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления, в которых реализованы положения диссертации, акты внедрения результатов диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изложены научно обоснованные новые технические решения дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической, авиационной и др. техники, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала под действием измеряемого давления.

1 Разработаны структурные, математические модели и алгоритмы преобразования сигналов дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа, анализ которых показал, что, изменяя определенным образом конструктивные параметры, можно добиваться высокой чувствительности преобразования при линейной функции преобразования и глубине модуляции оптического сигнала.

2 Разработан новый алгоритм дифференциального преобразования оптического сигнала, который заключается в том, что световой поток источника излучения делится на два потока, которые независимо друг от друга преобразуются под действием одной и той же физической величины, но с помощью разных модулирующих элементов.

3 Разработана методика расчета основных конструктивных параметров дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в зоне измерения, при которых обеспечиваются повышенные метрологические характеристики.

4 Разработана методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в дифференциальных волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа, основанная на условии равенства расстояний, которые проходят отраженные лучи первого и второго измерительного канала в противоположных направлениях.

5 Разработан способ дифференциального преобразования сигналов в дифференциальных волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа, когда два измерительных канала находятся в одинаковых рабочих условиях, воспринимают одну и туже измеряемую

физическую величину - давление, с помощью одной и той же мембраны преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения. При этом первый измерительный канал регистрирует перпендикулярное перемещение центральной части мембраны, а второй измерительный канал - угловое перемещение периферийной части мембраны.

6 На основе полученных обобщений и проведенных теоретических исследований разработаны и изготовлены макетные образцы дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа. Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей макетных образцов подтвердили теоретические положения диссертации.

7 Работа обеспечивает создание и внедрение: дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической, авиационной и др. техники.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Коломиец Л.Н. Волоконно-оптические датчики в информационно-измерительных системах/ Л.Н.Коломиец //Датчики и системы. - 2006. - №1. -С. 8-14.

2 Коломиец Л.Н., Бадеева Е.А., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Дифференциальное преобразование сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа // Датчики и системы. -

2006.-№ 12.-С. 12-14.

3 Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н., Неугодников А.П., Свирин В.Н., Потапов В.Т. Миниатюрные волоконно-оптические датчики температуры //Радиотехника. - 2006. - № 5 - С. 50 - 52.

4 Коломиец Л.Н. Функция преобразования волоконно-оптического преобразователя углового перемещения отражательного типа // Датчики и системы.-2007,-№2.-С. 19-21.

5 Коломиец Л.Н., Бадеева Е.А., Мурашкина Т.И. К реализации дифференциального преобразования сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа//Датчики и системы. -

2007.-№3.- С. 26-27

6 Гаврюшин С.С., Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н., Неугодников А.П., Свирин В.Н., Поспелов В.И., Потапов В.Т. Расчет термоиндуцированных напряжений в чувствительных элементах волоконно-оптических датчиков//Радиотехника. - 2006. - № 5. - С. 53-55.

7 Коломиец Л.Н., Бадеева Е.А., Мурашкина Т.И. Функция преобразования в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа //Авиакосмическое приборостроение. - 2006. - № 3. -С. 13-15.

8 Патент № 2087857, G 01 В 7/18. Устройство для преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал. / Л.Н.Коломиец, А.В.Митгонин /Опубл.20.08.97 Бюл. №23.

9 Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н, Неугодников А.П., Потапов В.Т., Поспелов В.И., Рубцов И.В. Теоретические и экспериментальные аспекты строительного мониторинга на базе волоконно-оптических информационно-измерительных систем//Сб. докладов МНТК «Датчики и системы-2005». - Пенза. - 6-10 июня 2005.- С. 133-141.

10 Гармаш В.Б., Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н., Неугодников А.П., Поспелов В.И. Волоконно-оптические датчики и информационно-измерительные системы//Сб. докладов МНТК «Датчики и системы-2005». -Пенза. - 6-10 июня 2005,- С. 39-49.

11 Гамкрелидзе С.А., Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н., Потапов В.Т. Автогенераторные волоконно-оптические датчики на основе микрорезонаторов//Сб. докладов МНТК «Датчики и системы-2005». -Пенза. - 6-10 июня 2005.- С. 305-308.

12 Бурков В.Д., Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н., Потапов В.Т. Многоканальные волоконно-оптические системы измерения температуры и давления // Сб. докладов НТК профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ. - Москва. - 30 января -1 февраля 2006 - С. 38.

13 Бурков В.Д., Коломиец Л.Н. Функция преобразования дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа// Сб. докладов НТК профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ. - Москва. - 30 января-1 февраля 2007 - С. 42.

14 Бурков В.Д., Коломиец Л.Н. Дифференциальные волоконно-оптические датчики давления отражательного типа // Сб. докладов НТК профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ. - Москва. -30 января-1 февраля 2007 - С. 42.

15 Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом / Соисп. Л.Н.Коломиец / Отчет по проекту (годовой) от 12.12.2006 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» подраздел 2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» №Г.Р.01.2.006 10437.

Отпечатано в полном соответствии с качеством

представленного оригинал-макета Подписано в печать 03.04. 2007. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/м2 Ризография. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ № 191.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытшци-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@mgnl.ac.ru

Введение.

ГЛАВА 1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Волоконно-оптические датчики в информационно-измерительных и управляющих системах.

1.2 Анализ состояния вопроса создания и внедрения волоконно-оптических датчиков на изделиях авиационной техники.

1.3 Обоснование выбора волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа.

Актуальность работы

Создание и внедрение на отечественных объектах ракетно-космической, авиационной и др. техники волоконно-оптических информационно-измерительных систем (ВОИИС) предполагает разработку волоконно-оптических датчиков (ВОД) различных физических величин: давления, перемещения, скорости, ускорения, уровня жидкости, частоты вращения, силы, температуры.

Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы в области их разработок в ближайшие годы станут сдерживающим фактором создания и ВОИИС. Поэтому существует настоятельная потребность в быстрейшем создании ВОД различных типов, пригодных для промышленного освоения и сопрягаемых как с традиционными, так и вновь разрабатываемыми ВОИИС, системами управления, контроля, диагностики и аварийной защиты.

Основное преимущество ВОД перед электрическими обусловлено их возможным использованием в ситуациях, в которых электронные устройства либо вообще нельзя использовать, либо такое использование сопровождается значительными трудностями и расходами. ВОД характеризуются обеспечением чрезвычайно высокого уровня безопасности при эксплуатации в потенциально искро- пожаро - и взрывоопасных условиях. Важнейшим достоинством ВОД является невосприимчивость их к высокочастотным электромагнитным и импульсным помехам. Внедрение ВОИИС необходимо для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту летательных аппаратов.

Контроль давления на борту летательных аппаратов занимает до 50 % от общего числа всех измерений, поэтому создание ВОД давления (ВОДД) для изделий ракетно-космической и авиационной техники с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками является актуальной задачей.

Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: Буркова В.Д., Бусурина В.И., Бутусова М.М., Гречишникова В.М., Жилина В.Г., Зака Е.А., Конюхова Н.Е., Малкова Я.В., Мурашкиной Т.И., Патлаха A.JL, Потапова В.Т., Уда-лова Н.П. и других. В то же время в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования ВОДЦ для изделий ракетно-космической, авиационной и др. техники.

На основании исследований принципов преобразования измерительной информации в изменение параметров оптического сигнала определено, что наиболее эффективно реализуются ВОДЦ, принцип действия которых основан на модуляции интенсивности светового потока под действием измеряемой физической величины. Большинство схем амплитудной модуляции не требует когерентных источников излучения.

Основным недостатком, ограничивающим использование амплитудных ВОДЦ, является то, что на точность измерения оказывают влияние внешние влияющие факторы (ВВФ) и стабильность источника излучения. Использование компенсационных и дифференциальных схем, а также возможность проведения многопараметровых измерений за счет применения большого количества амплитудных ВОД позволяют повысить точность измерений.

ВОДЦ отражательного типа составляют самую обширную группу среди амплитудных волоконно-оптических датчиков давления, что объясняется совершенной технологией изготовления отражающих поверхностей. Наибольшее распространение получили зеркальные отражающие поверхности, не вносящие заметных неинформативных потерь светового потока в процессе измерения.

Существенным недостатком известных технических решений ВОДЦ отражательного типа является большая дополнительная не исключенная погрешность, обусловленная изменениями геометрических параметров и упругих свойств металлической мембраны при изменении температуры окружающей и или измеряемой среды.

До настоящего момента не удавалось реализовать дифференциальную схему преобразования в ВОДЦ отражательного типа, не требующую сложного технологического процесса изготовления датчика.

Цель и задача, исследования и разработки

Целью диссертационной работы является разработка дифференциальных ВОДД отражательного типа для ВОИИС ракетно-космической, авиационной и др. техники.

В соответствии с целью была сформулирована научная задача, решаемая в работе, - исследование и разработка научно обоснованных технических решений ВОДД отражательного типа, реализующих дифференциальное преобразование оптических сигналов.

Для решения поставленной задачи проведены следующие исследования и разработки:

- разработаны структурные, математические модели и алгоритмы дифференциального преобразования сигналов волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа;

- разработан дифференциальный способ повышения точности измерений ВОДД на основе дифференциального управления световым потоком в оптическом канале;

- проведены исследования конструктивных параметров волоконно-оптических преобразователей давления (ВОПД), обеспечивающих дифференциальное преобразование сигналов и высокую чувствительность преобразования оптических сигналов;

- разработана новая конструкция дифференциального ВОДД, в котором уменьшено влияние изменения мощности оптического излучения источника излучения, уменьшено влияние изменения геометрических и упругих характеристик мембраны при воздействии внешних дестабилизирующих фактов и механических деформаций волоконно-оптического кабеля (ВОК);

- выведена аналитическая зависимость между выходным и входным сигналами дифференциального ВОДД отражательного типа;

- проведен теоретический анализ метрологических и эксплуатационных возможностей дифференциального ВОДД отражательного типа;

- проведены экспериментальные исследования макетных образцов дифференциальных ВОДД отражательного типа для подтверждения теоретических и расчетных данных;

- осуществлена практическая реализация полученных результатов.

Методы исследований. При разработке математических и физических моделей волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа использовались основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, применялись методы математической физики, теории упругости, прикладной механики. При решении задач по синтезу и анализу волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа 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. Теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями лабораторных макетов ВОДД отражательного типа.

Новизна научных результатов

1 Алгоритм дифференциального преобразования оптического сигнала в ВОПД отражательного типа отличается тем, что световой поток одного и того же источника излучения делится на два потока, которые независимо друг от друга преобразуются под действием одной и той же физической величины, но с помощью разных модулирующих элементов: зеркально отражающей поверхности, перемещающейся перпендикулярно оптической оси первого светового потока, и зеркально отражающей поверхности, перемещающейся под углом к оптической оси второго светового потока.

2 Способ дифференциального преобразования сигналов в ВОПД отражательного типа основан на том, что два канала дифференциальной схемы находятся в одинаковых рабочих условиях, воспринимают одну и туже измеряемую физическую величину (давление), с помощью одного и того же чувствительного элемента (мембраны) преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения, но при этом первый измерительный канал регистрирует перпендикулярное перемещение центральной части зеркальной поверхности мембраны, а второй измерительный канал - угловое перемещение периферийной части зеркальной поверхности той же мембраны.

3 Комплекс функций преобразования ВОПД учитывает параметры, взаимное расположение и количественное соотношение подводящих и отводящих оптических волокон, начальное расстояние от общего торца оптических волокон до зеркальной отражающей поверхности.

4 Методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОПД отражательного типа, основана на том, что исходя из условия равенства расстояний, которые проходят отраженные лучи первого и второго измерительного канала в противоположных направлениях, определяется расстояние между оптическими осями волоконно-оптического преобразователя линейного и углового перемещений.

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Московском государственном университете леса, и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания ВОДЦ отражательного типа и внедрения их в ВОИИС изделий ракетно-космической, авиационной и др. техники.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках договоров №78 от 15.05.91 г., №9402 от 25.05.91 г., №94-03 от 01.08.91 г. между МПО «МАНОМЕТР», г. Москва и ТОО «ПАС», г. Москва (ОКР «Разработка измерительных преобразователи давления с диапазоном верхних пределов измерения от 1 до 100 МПа», ОКР «Разработка и передача КД блока преобразования электронного для датчиков давления и разности давления», ОКР «Разработка принципиальных электрических схем опытных образцов трех микросборок - функциональных узлов блока преобразования электронного для датчиков давления и разности давления»), между АООТ «ТЕПЛОПРИБОР», г. Рязань и ООО «Приборы Автоматизированных Систем ПАС», г. Москва (№01/99 от 29.10.99 г. ОКР «Комплекс унифицированных преобразователей давления», №2-02 от 05.07.2002 г. ОКР «Разработка однопредельного преобразователя давления» и №02-05 от 19.04.2005 г. ОКР «Разработка помехоустойчивых преобразователей «Сапфир - 22Р»), №01-04/АС от 27.08.2004г. между ЗАО «Инженерный центр «Атомпром», и ООО «Приборы Автоматизированных Систем ПАС», г. Москва (ОКР «Разработка устройств подавления помех первичных преобразователей давления систем контроля и управления атомных станций»).

Диссертация выполнялась и реализовывалась при выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» в форме гранта Федерального агентства по образованию. № Г.Р. 01.2.006 10437 «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом».

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к их промышленному проектированию, производству и внедрению.

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке ВОДД отражательного типа, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании макетных образцов ВОДД отражательного типа для измерения избыточного давления в диапазонах 0.0,5; 0.1,0; 0.1,5; 0.2,8 МПа: шифр ВОДД-Д-001 и ВОДЦ-Д-002.

Элементы теории проектирования, материалы по расчету ВОДД использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», ряда ОКР, а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы» на кафедре «Приборостроение» ПГУ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Второй Всероссийской НТК «Датчики и детекторы для АЭС» (г. Пенза, 2004г.), Международной НТК «Датчики и системы-2005» (г. Пенза, 2005 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы-2006» (г. Москва, 2006 г.), на НТК профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ (г. Москва 2006,2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 научно-технический отчет. Без соавторов опубликовано 2 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, восемь приложений. Основная часть изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 9 таблиц. Список литературы содержит 87 наименований. Приложения к диссертации занимают 17 страниц.

Основные результаты и выводы

1 Разработаны конструктивная и структурная схемы и алгоритм преобразования сигналов дифференциального ВОДД отражательного типа, которые позволили получить высокие метрологические характеристики: незначительную погрешность линейности, высокую чувствительность преобразования, незначительное влияние на результат измерения изменения интенсивности источника излучения.

2 Предложен блочно-модульный принцип построения ВОДД, позволивший исследовать технические характеристики отдельных его блоков на стадиях проектирования или изготовления и тем самым получить высокие метрологические и эксплуатационные характеристики датчика в целом.

3 Разработано два варианта новой конструкции дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа,

- на базе ВОДД отражательного типа с компенсационным каналом и

- на базе датчика избыточного давления САПФИР-22, в которых реализованы основные положения диссертации.

4 Определено, что экспериментальные исследования целесообразно проводить в отсутствие согласующего устройства и оптоэлектронного блока, которые сами могут быть источниками различных отклонений в процессе изготовления датчика.

Предложено проводить исследования ВОПД с помощью специально разработанных аттестованных тестеров оптической мощности.

5 Разработаны измерительные установки для экспериментальных исследований ВОПД И ВОДД в целом.

6 Поставлена задача экспериментальных исследований - определение оптимальных расстояния между оптическими волокнами двух измерительных каналов, начальное расстояния от ПОВ до мембраны, схемы расположения оптических волокон в торцах волоконно-оптического кабеля, при которых обеспечиваются дифференциальное преобразование сигналов, максимальная чувствительность преобразования, минимальная погрешность линейности функции преобразования ВОПД.

7 Результаты экспериментальных исследований разработанного макетного образца дифференциального ВОПД отражательного типа показали, что:

- изменение расстояния х0 между ВОК и мембраной на 0,1.0,2 мм ведет к изменению чувствительности преобразования в 2 и более раза;

- перемещая центр мембраны вдоль оси X на 0,5dc можно добиться существенной (до 30 %) глубины модуляции оптического сигнала;

- целесообразно использовать ВОК, в котором три ПОВ и четыре ООВ, так как в этом случае чувствительность преобразования и глубина модуляции оптического сигнала выше в 1,5 раза.

6 Проведенные экспериментальные исследования и анализ метрологических и эксплуатационных характеристик макетных образцов разработанных ВОДД отражательного типа, подтвердили теоретические положения диссертации.

149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изложены научно обоснованные новые технические решения дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической, авиационной и др. техники, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала под действием измеряемого давления.

1 Разработаны структурные, математические модели и алгоритмы преобразования сигналов дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа, анализ которых показал, что, изменяя определенным образом конструктивные параметры, можно добиваться высокой чувствительности преобразования при линейной функции преобразования и глубине модуляции оптического сигнала

2 Разработан новый алгоритм дифференциального преобразования оптического сигнала, который заключается в том, что световой поток источника излучения делится на два потока, которые независимо друг от друга преобразуются под действием одной и той же физической величины, но с помощью разных модулирующих элементов.

3 Разработана методика расчета основных конструктивных параметров дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в зоне измерения, при которых обеспечиваются повышенные метрологические характеристики.

4 Разработана методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в дифференциальных волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа, основанная на условии равенства расстояний, которые проходят отраженные лучи первого и второго измерительного канала в противоположных направлениях

5 Разработан способ дифференциального преобразования сигналов в дифференциальных волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа, когда два измерительных канала находятся в одинаковых рабочих условиях, воспринимают одну и туже измеряемую физическую величину - давление, с помощью одной и той же мембраны преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения. При этом первый измерительный канал регистрирует перпендикулярное перемещение центральной части мембраны, а второй измерительный канал - угловое перемещение периферийной части мембраны.

6 На основе полученных обобщений и проведенных теоретических исследований разработаны и изготовлены макетные образцы дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа. Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей макетных образцов подтвердили теоретические положения диссертации.

7 Работа обеспечивает создание и внедрение: дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической, авиационной и др. техники.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

AT - авиационная техника

БП - блок питания

БПИ - блок преобразования информации

ВВФ - внешний влияющий фактор вод - волоконно-оптический датчик

ВОДД - волоконно-оптический датчик давления

ВОК - волоконно-оптический кабель

ВОП - волоконно-оптический преобразователь

ВОПД - волоконно-оптический преобразователь давления

ВОИИС - волоконно-оптическая информационно-измерительная система гтд - газотурбинный двигатель да - делитель напряжения зс - зондирующий сигнал

ИИ - источник излучения ип - измерительный преобразователь иис - информационно-измерительная система ж - инфракрасный

ЛА - летательный аппарат

ЛД - лазерный диод

ЛФД - лавинный фотодиод

MX - метрологические характеристики нх - народное хозяйство

НИОКР - научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа

НИР - научно-исследовательская работа

НТК - научно-техническая конференция

ОВ - оптическое волокно ок - оптический канал

152

ОКР - опытно-конструкторская работа

ООВ - отводящее оптическое волокно on - оптический переключатель

OP - оптический разъем

ОС - оптический соединитель

ОУ - операционный усилитель

ОЭБ - оптоэлектронный блок пи - приемник излучения

ПОВ - подводящее оптическое волокно

РКТ - ракетно-космическая техника сид - светоизлучающий диод слд - суперлюминисцентный диод

СХ - спектральная характеристика

ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения тт - технические требования

УЮ - узел юстировки

ФВ - физическая величина

ФД - фотодиод

ФП - функция преобразования чэ - чувствительный элемент

ЭВМ - электронная вычислительная машина

ЭХ - эксплуатационные характеристики

1. Авдошин Е.С., Авдошин Д.Е. Волоконно-оптические измерительные датчики и приборы // Зарубежная радиоэлектроника, 1991, №2. С. 35-55.

2. Андреева JI.E. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение, 1981.

3. Бадеева Е.А., Мурашкина Т.И., Мещеряков В.А. Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для летательных аппаратов // Датчики и системы. 2001. - №9. - С. 14-18

4. Бадеева Е.А., Мещеряков В.А., Мурашкина Т.И. Классификация амплитудных волоконно-оптических преобразователей // Датчики и системы. -2003.-№2.-С. 20-25

5. Бадеева Е.А., Пивкин А.Г., Гориш А.В., Мурашкина Т.И. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография М.: МГУЛ, 2004. - 246 с.

6. Белкин М.Е., Шевцов Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем.-М.: Радио и связь. 1992. 224 с.

7. Белоцерковский Э. Н., Патлах А. Л. Волоконно-оптические первичные преобразователи информации // Приборы и системы управления. -1988.-№5.-С. 20-22.

8. Бурков В.Д., Коломиец Л.Н. Функция преобразования дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа // Сб. докладов НТК профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ. Москва. - 30 января-1 февраля 2007. - С. 42.

9. Бурков В.Д., Коломиец Л.Н. Дифференциальные волоконно-оптические датчики давления отражательного типа // Сб. докладов НТК профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ. Москва.- 30 января-1 февраля 2007. С. 42.

10. Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат, 1990.- 256 с.

11. Волоконно-оптические датчики / Окоси Т., Окамато К., Оцу М. и др.; Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1990.-256 с.

12. Волчихин В. И., Мурашкина Т. И. Проблемы создания волоконно-оптических датчиков // Датчики и системы. Измерения, контроль, автоматизация- 2001.- № 7. С.54-58.

13. Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. М.: Физматгиз, 1958. - 350 с.

14. Гаврюшин С.С., Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н., Неугодников А.П., Свирин В.Н., Поспелов В.И, Потапов В.Т. Расчет термоиндуцированных напряжений в чувствительных элементах волоконно-оптических датчиков // Радиотехника 2006. - № 5. - С. 53-55.

15. Гамкрелидзе С.А., Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н., Потапов В.Т. Автогенераторные волоконно-оптические датчики на основе микрорезонаторов // Сб. докладов МНТК «Датчики и системы-2005». Пенза. - 6-10 июня 2005.-С. 305-308.

16. Гармаш В.Б., Егоров Ф.А., Коломиец JI.H., Неугодников А.П., Поспелов В.И. Волоконно-оптические датчики и информационно-измерительные системы // Сб. докладов МНТК «Датчики и системы-2005». Пенза. - 6-10 июня 2005.- С. 39^19.

17. Гольдфарб И. С. Характеристики передачи оптических кабелей при воздействии механических нагрузок//Электросвязь. 1980. № 12. С. 16-19.

18. ГОСТ РВ 50899-96. Сети сбора данных волоконно-оптические на основе волоконно-оптических датчиков. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 1997. - ДСП. -117 с.

19. Гроднев И.И., Ларин Ю.Т., Теумин И.И. Оптические кабели: конструкции, характеристики, производство и применение. М.: Энергоатомиз-дат, 1985.- 176 с.

20. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 224 с.

21. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах. Т 1 (кн. 1) / Под общ. ред. Ю.Н. Коптева; Под ред. Е.Е. Бо-гдатьева, А.В. Гориша, Я.В. Малкова. М.: МГУ Л, 2000. - 458 е., с ил.

22. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах. Т 1 (кн. 2) / Под общ. ред. Ю.Н. Коптева; Под ред. Е.Е. Бо-гдатьева, А.В. Гориша, Я.В. Малкова. М.: МГУЛ, 2001.-512 е., с ил.

23. Дональд Дж. Стерлинг, младший. Техническое руководство по волоконной оптике: Пер. с англ. М.: Изд-во "Лори", 1998. - 288 с.

24. Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н., Неугодников А.П., Свирин В.Н., Потапов В.Т. Миниатюрные волоконно-оптические датчики температуры // Радиотехника. 2006. - № 5 - С. 50 -52.

25. Ермаков О.Н. Прикладная оптоэлектроника. М: Техносфера, 2004. -416с.

26. Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. М.: Энергоатомиздат, 1987. -112 с.

27. Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 128 с. - (Б-ка по автоматике. Вып. 670).

28. Кабардин О. Ф. Физика: Справ, материалы: Учеб. пособие для учащихся. 3-е изд. - М.: Просвещение, 1991. - 303 с.

29. Коган JT.H. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 208 с.

30. Коломиец J1.H. Волоконно-оптические датчики в информационно-измерительных системах//Датчики и системы. 2006. - №1. - С. 8-14.

31. Коломиец JI.H., Бадеева Е.А., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Дифференциальное преобразование сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа//Датчики и системы. 2006. - № 12.-С. 12-14.

32. Коломиец JI.H. Функция преобразования волоконно-оптического преобразователя углового перемещения отражательного типа // Датчики и системы. 2007. - № 2. - С. 19 - 21.

33. Коломиец JI.H., Бадеева Е.А., Мурашкина Т.П. К реализации дифференциального преобразования сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа // Датчики и системы. 2007 - № 3.-С. 26-27.

34. Коломиец J1.H., Бадеева Е.А., Мурашкина Т.П. Функция преобразования в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа // Авиакосмическое приборостроение. 2006. - № 3. - С. 13-15.

35. Коптев Ю.Н., Гориш А.В. Датчиковая аппаратура для ракетно-космической техники // Радиотехника. 1995. - № 10. - С. 5-6.

36. Круглов В.В., Годнев А.Г. Волоконно-оптический датчик давления // Приборы и системы управления. 1993.- № 5.

37. Кузин А.Ю., Жевидь С.В., Павлова И.В. Промышленные датчики на основе оптических волокон // Зарубежная радиоэлектроника. 1988. - № 6, С. 72 - 82.

38. Лапин А.В. Волоконно-оптические трансиверы от INFINEON // Электронные компоненты. 2005. - №5. - С.114-115.

39. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи. М: ЛЕСАРарт, 2003. - 288 е., ил.

40. Молчанов А.Г., Мещеряков В.А., Мурашкина Т.Н. Теория, расчет и проектирование измерительных приборов и систем: Учебное пособие. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1998. 116 с.

41. 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.

42. Мурашкина Т.И., Волчихин В.И. Амплитудные волоконно-оптические датчики автономных систем управления: Монография. Пенза: изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - 188 с.

43. Мурашкина Т.И. Состояние и проблемы волоконно-оптического дат-чикостроения // Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. Всероссийск. науч.-техн. конф. 24-26 ноября 1998. Москва, 1998. - С. 183184.

44. Мурашкина Т.И., Волчихин В.И. Стандартизация параметров амплитудных волоконно-оптических датчиков для волоконно-оптических сетей сбора данных // Датчики и системы. 2001№ 6 . -с.16-18.

45. Мурашкина Т.И., Мещеряков В.А., Бадеева Е.В., Шалобаев Е.В. Теория измерений: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 2007 г.

46. Мухитдинов М.Н., Мусаев Э.С. Светоизлучающие диоды и их применение. М.: Радио и связь, 1988.-80 с.

47. Нанотехнологии в электронике. / Под ред. Ю.А. Чаплыгина. М: Техносфера, 2005.-448 с.

48. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам. / Сборник статей под редакцией д.т.н., профессора П.П. Мальцева. М: Техносфера, 2005. - 592 с.

49. Наноматериалы. Нанотехнологии, Наносистемная техника. Мировые достижения за 2005 год / Сборник под редакцией д.т.н., профессора П.П. Мальцева. М: Техносфера, 2006. - 152 с.

50. Пароль Н. В., Кайдалов С. А. Фоточувствительные приборы и их применение: Справочник. М.: Радио и связь, 1991. - 112 е.- (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1168).

51. Патлах A.JI. Влияние изгибов на параметры волоконных световодов // Светотехника. 1986. - № 4. - С. 8-10.

52. Пивкин А.Г. Дифференциальное преобразование сигналов в волоконно-оптических преобразователях // Труды Межд-го симпозиума «Надежность и качество», 22- 31 мая 2006, Пенза Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та.- 2006.- С.363-365.

53. Пивкин А.Г., Серебряков Д.И. Способ уменьшения температурной погрешности волоконно-оптических датчиков // Авиакосмическое приборостроение. 2006. - № 3 . - С. 13-15.

54. Пивкин А.Г., Крупкина Т.Ю., Мурашкина Т.И. Распределение светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя // Датчики и системы. 2005.- № 8. - С. 5-8.

55. Пивкин А.Г. Функция преобразования дифференциального волоконно-оптического преобразователя с отражательным аттенюатором // Датчики и системы. 2006. - № 6. - С. 12 -14 .

56. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник / В.И.Иванов, А.И.Аксенов, А.М.Юмин. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 448 с.

57. Попов С.Н., Парасына А.С., Чагулов B.C. Влияние механических нагрузок на светопропускание волоконных световодов // Квантовая электроника. 1979. - № 3.

58. Преобразователи давления «САПФИР-22Р». Технические условия РИЮУ 406233.001 ТУ

59. Преобразователи давления «САПФИР-22Р» Руководство по эксплуатации РИЮУ 406233.001 РЭ

60. Пул Ч., Оуэне Ф. Нанотехнологии. М: Техносфера, 2006. - 336 с.

61. Ратхор Т.С. Цифровые измерения / методы и схемотехника. М: Техносфера, 2004. - 376 с.

62. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. Пер с франц. / Под ред. О.Н. Ермакова. М: Техносфера, 2006. - 592 с.

63. Световодные датчики / Б.А. Красюк, О.Г. Семенов, А.Г. Шереметьев и др. М.: Машиностроение, 1990. - 256 с.

64. Уилльямс Т. ЭМС для разработчиков продукции / Под общ. ред. д.т.н., профессора Л.Н. Кечиева. М: Издательский Дом «Технологии», 2003.-540 с.

65. Уилльямс Т., Армстронг К. ЭМС для систем и установок / Под общ. ред. д.т.н., профессора Л.Н. Кечиева. М: Издательский Дом «Технологии», 2004. - 508 с.

66. Уорден К.Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. М: Техносфера, 2006. - 224 с.

67. Федоров В.К., Сергеев Н.П., Кондрашин А.А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств. М: Техносфера, 2005. - 504 с.

68. Фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения и фотоприемные устройства: Справ, для гражданского применения / Под ред. Ушаковой. М.: НТЦ "Информатика", 1991. - 100 с.

69. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. Пер. с англ. / Под ред. Е.Л. Свинцова. М: Техносфера, 2006. - 592 с.

70. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. Пер. с англ. / Под ред. Н.Н. Слепова. М: Техносфера, 2006. - 496 с.

71. Шредер Г., Трайбер X. Техническая оптика. Пер. с немецкого Р.Е.Ильинского. М: Техносфера, 2006. - 424 с.

72. Щерица Н.П. Компоненты ВОЛС компании Afonics fibreoptic // Компоненты и технологии. 2005. - №3. - С.28-32.

73. Ecke Wolfgang, Latka Ines, Willsch Reinhardt, Reutlinger Arnd and Graue Roland, "Fibre optic sensor network for spacecraft health monitoring", Meas. Sci. Technol., Vol. 12,2001, pp. 974-980.

74. Fernandez Fernandez A., Berghmans F., Brichard В., Megret P., Decreton M., M. Blondel and A. Delchambre, "Multi-component force sensor based onmultiplexed fibre Bragg grating strain sensors", Meas. Sci. Technol., Vol. 12, 2001, pp. 1-4.

75. Raman Kashyap, «Fiber Bragg Gratings», Academic Press, San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto, 1999

76. Haran F. M. Optical fibre interferometric sensors using buffer guided light // Meas. Sci. Technol. 1994. - № 5. - P.P. 525-530.

77. Ho H. L., Jin W., Chan С. C., Zhou Y., Wang X. W., "A fiber Bragg grating sensor for static and dynamic measurands", Sensors and Actuators A, Vol. 96,2002, pp. 21-24.

78. Jose Miguel Lopez-Higuera (Editor), «Handbook of Optical Fibre Sensing Technology», John Wiley & Sons, Ltd., 2002.

79. K.T.V.Grattan, B.T.Meggitt (Editors), «Optical Fiber Sensor Technology (Fundamentals)», Kluwer Academic Publishers, 2000

80. Kerstin Schroeder, Wolfgang ecke, Rudolf Mueller, Reinhardt Willsch and Andrey Andreev, "A fibre Bragg grating refractometer", Meas. Sci. Technol., Vol. 12,2001, pp. 757-764.

81. Read I. J. and Foote P. D., "Sea and flight trials of optical fibre Bragg grating strain sensing systems", Smart. Mater. Struct., Vol. 10, 2001, pp. 10851094.

82. Tjin S. C., Wang Y., Sun X., Moyo P. and Brownjohn J. M. W., "Application of quasi-distributed fibre Bragg grating sensors in reinforced concrete structures", Meas. Sci. Technol., Vol. 13,2002, pp. 583-589.162