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

На правах рукописи

ЬЛг—

ЩЕВЕЛЕВ Антон Сергеевич

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических иаук

11 АПР 2013 005051717 ПЕНЗА 2013

005051717

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Мурашкина Татьяна Ивановна

Официальные оппоненты: Громков Николай Валентинович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», профессор кафедры «Информационно-измерительная техника»;

Цибизов Павел Николаевич,

кандидат технических наук, ФГУП «ФНПЦ ПО "Старт"», руководитель группы научно-образовательной деятельности

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

космических систем им. А. А. Максимова, г. Юбилейный, Московская обл.

Защита диссертации состоится 18 апреля 2013 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан « »_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

^ Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время быстрыми темпами разрабатываются и внедряются волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС), которые способны удовлетворить постоянную потребность ракетно-космической и авиационной техники (РК и АТ) в улучшении их метрологических и эксплуатационных характеристик.

Эти системы обладают несомненными преимуществами: отсутствие влияния на результат измерения электромагнитных полей; отсутствие побочных электромагнитных излучений, перекрестных помех каналов; отсутствие проблем, связанных с контурами заземления, с напряжениями смещения в местах соединения разнородных проводников и отсутствие проблемы дугообразования и искрения; высокая стойкость к вредным воздействиям среды; более легким, более тонким и более прочным кабелем, чем электрические аналоги; простота мультиплексирования сигналов; высокая скорость передачи данных. Основными компонентами ВОИИС являются волоконно-оптические датчики (ВОД).

Теоретические положения, касающиеся проектирования ВОД, изложены в трудах отечественных и зарубежных ученых: В. М. Бусу-рина, М. М. Бутусова, Ю. А. Гуляева, И. И. Гроднева, Е. А. Зака, М. П. Лисицы, В. М. Гречишникова, Я. В. Малкова, Т. И. Мурашкиной, А. Л. Патлаха, Н, П. Удалова и др. Однако известные технические решения волоконно-оптических преобразователей микроперемещений (ВОПМ) с различными оптическими модулирующими элементами (ОМЭ), являющихся основными элементами большинства ВОД, слабо адаптированы к требованиям ВОИИС РК и АТ и имеют низкие метрологические и эксплуатационные характеристики: низкую чувствительность преобразования оптических сигналов, большие значения основной и дополнительных погрешностей, обусловленные различными влияющими факторами, в том числе обусловленные изгибами волокон, сложность конструкции, высокую трудоемкость изготовления и компоновки элементов оптической системы (ОС).

Поэтому совершенствование ВОД, направленное на улучшение их метрологических и эксплуатационных характеристик, на основе оптимизации оптической системы, обеспечивающей рациональное использование оптической мощности, разработки математических моделей ВОПМ, новых технических решений дифференциальных ВОПМ с новыми ОМЭ, реализующими дифференциальный алгоритм преобразования оптических сигналов, и датчиков на их основе для ВОИИС

изделий РК и АТ представляет собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное народнохозяйственное значение.

Целью диссертационной работы является улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик волоконно-оптических преобразователей микроперемещений и датчиков на их основе для ВОИИС ракетно-космической и авиационной техники.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- анализ и обобщение известных волоконно-оптических преобразователей перемещения и ВОД на их основе, используемых в информационно-измерительных системах РК и АТ;

- математическое моделирование по определению конструктивных параметров ВОПМ с цилиндрическим ОМЭ и новой компоновкой оптических волокон (ОВ) в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля (ВОК), обеспечивающих дифференциальное преобразование оптических сигналов, максимальное значение коэффициента амплитудной модуляции и чувствительность преобразования оптических сигналов;

- разработка новых технических решений дифференциальных ВОПМ с цилиндрическим ОМЭ и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле с повышенной чувствительностью для ВОИИС;

- разработка методики и метрологического обеспечения (в том числе установки для экспериментальных исследований ВОД) для исследований новых ВОПМ, процедур настройки и юстировки оптической системы, обеспечивающих реализацию условий дифференциального преобразования оптических сигналов;

- разработка нового технического решения дифференциального волоконно-оптического датчика ускорения (ВОДУ) на базе ВОПМ с цилиндрическим ОМЭ и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле с повышенной чувствительностью для ВОИИС автотестирования испытательных средств;

- проведение экспериментальных исследований лабораторного макета дифференциального ВОПМ с цилиндрическим ОМЭ и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле и дифференциального ВОДУ для подтверждения теоретических положений диссертации.

Объектом исследования диссертационной работы является волоконно-оптическая информационно-измерительная система для измерения физических параметров изделий ракетно-космической и авиационной техники.

Предметом исследования являются дифференциальные волоконно-оптические преобразователи микроперемещений на базе цилиндрического оптического модулирующего элемента и датчики на их основе

с улучшенными техническими (в том числе метрологическими и технологическими) и эксплуатационными характеристиками для ВОИИС ракетно-космической и авиационной техники.

Проблемы, решенные в диссертации, соответствуют проблематике специальности 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы: пункт 6 «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений» (создание новых ВОД с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками как элементов ВОИИС на основе усовершенствованных дифференциальных ВОПМ с новыми ОМЭ).

Методы исследований. При анализе ВОИИС применялись методы системного анализа. При разработке математических моделей дифференциальных ВОПМ использовались положения геометрической оптики и методы математической физики. При решении задач улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик использовались основные положения теории чувствительности, погрешностей, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и принципы математической обработки полученных результатов.

Научная новизна работы включает в себя:

1 Развитую теорию дифференциальных волоконно-оптических преобразователей микроперемещений, позволяющую улучшить метрологические и технологические характеристики волоконно-оптических датчиков в составе ВОИИС за счет новой схемы компоновки оптических волокон в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля и схемы их расположения относительно оптического модулирующего элемента, обеспечивающих дифференциальное преобразование оптических сигналов, а также за счет введения в оптическую систему оптического модулирующего элемента в виде кварцевой цилиндрической линзы, выполняющей одновременно функции модулирующего, инерционного и управляющего элемента.

2 Математическую модель оптической системы дифференциального ВОПМ, учитывающую структуру пучка света, сформированного излучающим торцом подводящего оптического волокна (ПОВ) в виде полого усеченного конуса, новую компоновку оптических волокон в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля и схему их расположения относительно ОМЭ в виде цилиндрической линзы, параметры

которой определяются параметрами и схемой компоновки оптических волокон в ВОК.

3 Методику определения условий реализации дифференциального преобразования оптических сигналов в ВОПМ с цилиндрической линзой, отличающуюся тем, что методика основана на определении конструктивных параметров оптической системы, обеспечивающих такое расположение цилиндрической линзы относительно оптических волокон, когда перемещение верхней и нижней половин линзы преобразуем ся соответственно в изменение интенсивностей оптических сигналов в первом и втором измерительных каналах, обеспечивающее снижение дополнительных погрешностей от воздействия дестабилизирующих факторов й изгибов оптических волокон.

4 Методику линеаризации функции преобразования ВОПМ, основанную на исключении нелинейных участков функции преобразования в начале и в конце диапазона измерения на основе конструктивной оптимизации параметров оптической системы, обеспечивающей расчетное смещение светового пятна, формируемого цилиндрической линзой, относительно поверхности торцов отводящих оптических волокон (ООВ).

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в НТЦ «НАНОТЕХ» на кафедре «Приборостроение» Пензенского государственного университета (ЛГУ), и способствует решению актуальной научно-технической; задачи моделирования и конструирования новых дифференциальных ВОПМ и волоконно-оптических датчиков для ВОИИС на их основе (перемещения, виброперемещения, ускорения, давления, виброускорения, деформации, аэродинамических углов и др.), имеющих улучшенные метрологические и эксплуатационные характеристики.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к промышленному производству и внедрению дифференциальных ВОПМ и волоконно-оптических датчиков в ВОИИС на

их основе для изделий РК и АТ.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках аналитических ведомственных целевых программ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008, 2009-2011 гг.)» в форме грантов Министерства образования и науки РФ «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом» (шифр РНП.2.1.2.2827) и «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами» (№ 2.1.2/937).

На защиту выносятся:

1 Новые технические решения дифференциальных волоконно-оптических преобразователей микроперемещений с цилиндрическим оптическим модулирующим элементом и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле и ВОД на их основе, используемых в ВОИИС в условиях повышенной искро-, взрыво-, пожароопасно-сти, воздействия сильных электромагнитных помех, механических нагрузок, повышенных температур, характерных для изделий РК и АТ.

2 Математическая модель и результаты математического моделирования оптической системы дифференциального волоконно-оптического преобразователя микроперемещений с цилиндрическим оптическим модулирующим элементом и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле, которая заключается в симметричном расположении оптических волокон вдоль вертикальной оси на расчетном расстоянии от оптического модулирующего элемента, обеспечивающем линейность функции преобразования, максимальное значение коэффициента амплитудной модуляции и максимальную чувствительность преобразования оптического сигнала.

3 Методика определения условий реализации дифференциального преобразования оптических сигналов в волоконно-оптическом преобразователе микроперемещений с цилиндрическим оптическим модулирующим элементом и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле, основанная на определении оптимального пространственного расположения элементов оптической системы, обеспечивающая линейность функции преобразования, максимальное значение коэффициента амплитудной модуляции и максимальную чувствительность преобразования оптического сигнала.

4 Методика линеаризации функции преобразования волоконно-оптического преобразователя микроперемещений, основанная на конструктивном исключении нелинейных участков функции преобразования в начале и в конце диапазона измерения путем смещения светового пятна, формируемого цилиндрической линзой относительно приемной поверхности отводящих оптических волокон.

Реализация и внедрение результатов диссертации. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использованы при разработке конструкторской и технологической документации лабораторных макетов дифференциальных волоконно-оптических датчиков ускорения для ВОИИС автотестирования испытательных стендов космической техники, шифр «ВОДУ-НАНОТЕХ», а также внедрены в учебный процесс. Разработана экспериментальная

установка для сборки, юстировки и исследования ВОД на базе разработанных дифференциальных ВОПМ.

Элементы теории проектирования, материалы по расчету дифференциального волоконно-оптического датчика ускорения использованы в НИР «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами», НИР «Разработка и исследование ВОД физических величин для информационно-измерительных систем авиакосмической техники», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплин «Точность измерительных устройств» и «Техника физического эксперимента и метрология» кафедры «Приборостроение» ПГУ.

Практическая значимость исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационных исследований в НТЦ «НАНОТЕХ» ПГУ и в ОАО «Научно-производственная корпорация "Системы прецизионного приборостроения"» (г. Москва).

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации экспонировались и обсуждались на международных выставках «Helirussia-2009», «Helirussia-2011» (Москва, «Экспо-Крокус», 2009, 2011 гг.); международных научно-технических симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2009, 2010, 2011 гг.); IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2009 г.), И, III, IV российских форумах «Российским инновациям - Российский капитал» и VII, VIII и IX ярмарках бизнес-ангелов и инноваторов (Саранск, 2009 г., Ижевск, 2010 г., Оренбург, 2011 г.); VÍ, VII Саратовских салонах изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011, 2012 гг.), международной технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011 г.); II Инвестиционном форуме Пензенской области (Пенза, 2008 г.); конференции Всероссийской научной школы «ИСПЫТАНИЯ-2011» (Пенза, 2011 г.). «ВОДУ-НАНОТЕХ» отмечены дипломом и серебряной медалью на IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций; дипломом III степени и бронзовой медалью на VII Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 20 работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получены свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ и патент на полезную модель РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, приложений. Основная часть изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 6 таблиц. Список литературы состоит из 70 наименований. Приложения к диссертации занимают 11 страниц.

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 обоснован выбор волоконно-оптических информационно-измерительных систем для измерения параметров изделий ракетно-космической и авиационной техники, проведен анализ ВОПМ и ВОД на их основе на различных принципах действия, оценены преимущества и недостатки исследованных конструктивных решений. Выявлено, что датчики ускорения составляют порядка 20 % от общего количества средств измерения, применяемых на объектах РК и АТ.

Определены обобщенные требования со стороны ВОИИС к ВОД, условия их применения, влияющие на метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков: диапазон рабочих температур от минус 50 до плюс 60 °С, оптические потери в ВОПМ в состоянии наибольшего пропускания (отражения, рассеяния) должны быть не более (5...7) дБ для ВОПМ непрерывного действия, (7...10) дБ - для ВОПМ релейного действия. К аппаратуре, используемой в РК и АТ, предъявляется ряд особых требований, связанных с высокой безотказностью их работы, большими ударными нагрузками и совместным воздействием вибрации и линейных ускорений. Сделан вывод, что необходимо улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик ВОД для ВОИИС РК и АТ.

Во второй главе обоснован выбор оптимальных параметров волоконно-оптического преобразователя микроперемещений, разработанного для ВОИИС.

В разработанной математической модели оптической системы дифференциального ВОПМ для расчета хода лучей введены две декартовые системы координат: {х, у, г) - для поверхности светового потока на выходе оптического волокна; - для цилиндрической линзы.

Определена пространственная кривая пересечения светового потока, сформированного на выходе подводящего оптического волокна

(светового конуса), с цилиндрической линзой в полярной системе координат, выражаемая с помощью однопараметрической системы:

Гх(л)=/-(т1)со8(г1),

• У(г\) = (-0* к = 1,2,

О)

2(л) = /-(Т1)51П(Т1),

где г|е[0,я], к имеет смысл порядка пространственной кривой пересечения светового конуса с цилиндрической линзой (к = 1 - кривая пересечения конуса на входе в цилиндр, к = 2 - на выходе из цилиндра);

Кл) = -

ау0 + г,sinfrD+C-P^ayo + */ sin(TQ)2-tt2 +sin2(n)((z,)2 +Уо ~R2)

,(2)

a2 +sin2(r|)

где а = tari(e^); - половина угла в вершине конуса (в радианах), Уо- координата вершины светового конуса; z¡ - смещение цилиндрической линзы по оси z;R- радиус цилиндрической линзы.

• На основе закона Снеллиуса и векторного произведения ех =[е„ х?„] вектора нормали к поверхности цилиндра (е„) и вектора,

направленного из точки пересечения светового конуса с цилиндром в точку с координатами (0;-у0;0) - (?л), определен угол преломленного луча после прохождения светового луча извне внутрь цилиндрической линзы:

Р = ares i п

iin — |ет| =arcsin —sin (e„r„)

Л"ц V l"« )

= arcsin

—sinfle*])

(3)

где пв - показатель преломления среды; я„ - показатель преломления

цилиндрической линзы.

Однопараметрическое уравнение преломленного светового луча в

векторной форме имеет вид г=гс/ + г0, г0 ={х,у,г}.

Значение параметра ? выражается из уравнения пересечения по-

2 2 2

лучившейся прямой со стенкой цилиндра у +{г-г() -Я : (гс,/+%у)2 +(гс г1'+г0 г-г,)2 - Я2 = 0 =>{гС1/+у)2Нг^,+ ^-^)2-Л2 = <>. (4) Приводя подобные члены, получим:

(rc,yy + rc,¡(z-zl^1 +

t'=-

ы+Ы

Угол преломления светового луча при выходе из цилиндрической линзы определяется аналогично с учетом того, что в законе Снеллиуса используется обратное соотношение показателей преломления сред

иц/ла, вектор у = {со5(Р);81п(Р);0} - пересечение с плоскостью отводящих оптических волокон - находится на расстоянии у1 за цилиндром.

Разработана математическая модель распределения светового потока в оптической системе ВОПМ (рисунок 1).

Цилида/^хвя musa

Технотгичеасэ Од

2=0мкм г=20мкм

Рисунок 1 — Расчетно-конструктивная схема волоконно-оптического преобразователя при модуляции светового потока с помощью цилиндрической линзы

В плоскости ООВ световое пятно имеет вид кольца, образованного двумя эллипсами. Математическое моделирование выполнено в программной среде МаД^аЬ.

Выведены функции преобразования первого и второго измерительных каналов дифференциального ВОДУ с цилиндрической линзой:

ф (*/).-,

2-го канала

го канала

2 JV

о

1-

г2 х0

пабЬб - камЬм

где

«б,м=18©вх2

Гцвтуг

БШ©

вх2

УПУ1 5т©к1

*б,„=©

'м

'с0Бвш(2 с/е + гц1ё0№) ± 2)

бш©

вх1

©.»1 =2

. (С0Бвш(2(¡с+г^®ш ±2)^1 агсвт - -

I '•ц )

' соз&ш (2 <1С+г^вщ ± г) пс

1. "ц

агсэт

©вх2=2

агсБт

агсБШ

СОБ ©^ (¿с + /•Ц1§©Ж±И)

Ч ч

' СОБ ©^ (с1с + ^е^ ±2) п л

V 'ч у, = штат!--I» у2

«ц

= агсБш

соввдцР^ + г^Эщ ±г) | »а /

здесь рх, р2 - коэффициенты аппроксимирующей функции; аб,ам -большая полуось внешнего и внутреннего эллипсов соответственно; Ьб, Ьм- малая полуось внешнего и внутреннего эллипсов соответственно; 0вх1, ©вх2 - угол падения луча по внешней и внутренней границам светового потока при входе в ООВ соответственно; У\,У2 ~ Угол наклона луча к нормали по внешней и внутренней границам после выхода светового потока из цилиндрической линзы соответственно; еш - апертурный угол на выходе из ПОВ; <ЛС - диаметр сердцевины оптического волокна; гц - радиус цилиндрической линзы; 2- смещение цилиндрической линзы в направлении оси Ъ.

Знак «+» в формулах двойных знаков относится к первому каналу, а знак «-» - ко второму каналу при перемещении цилиндрической линзы вверх относительно положения равновесия. При обратном перемещении цилиндрической линзы знак «+» будет относиться ко второму каналу, а знак «-» - к первому.

С целью установления зависимости между интенсивностью выходного сигнала и конструктивными параметрами ВОПМ определено пространственное расположение элементов оптической системы новой конструкции ВОПМ с цилиндрическим ОМЭ и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле.

Определены формы светового пятна в плоскости отводящих оптических волокон и функции изменения интенсивности на выходе оптического модулирующего элемента при различных расстояниях 1Х

от торца подводящего оптического волокна до поверхности цилиндрической линзы и /2 от поверхности цилиндрической линзы до приемных торцов отводящих оптических волокон, а также радиуса цилиндрической линзы гп, изменяющихся с некоторым шагом (рисунок 2).

К-коэффициент передачи оптического тракта «ПОВ-линза-ООВ1, 2»; перемещение оптического модулирующего элемента

Рисунок 2 - Результаты математического моделирования оптической системы в среде МаИ^аЬ

Анализ результатов моделирования позволил выбрать оптимальные параметры ВОПМ, исходя из условий максимальной чувствительности (1...2 мВт/мкм, у аналогов - 0,5...0,6 мВт/мкм) и минимальной погрешности линейности (не более 0,07 %, у аналогов - 0,1 %).

Расстояния Л и /2 определяются выражениями

-— ь Л £--Л, > 17 —-• Ц'

1ё0№4 81П0вх1

Для ОВ с параметрами 4= 0,2 мм, = 12° передача максимально возможной мощности излучения в зону преобразования оптических сигналов достигается при параметрах: гц= 1,5 мм; /1 = 0,5 мм; /2= 1,5 мм (рисунок 2,в). При остальных параметрах наблюдаются критические потери светового потока либо неравномерность распределения световой мощности.

В третьей главе разработана методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОПМ. Доказана реализуемость дифференциального преобразования с помощью одного и того же оптического модулирующего элемента, когда верхняя и нижняя половины линзы преобразуют ее перемещение в изменение интенсивности оптического сигнала в первом и втором измерительных каналах от одного и того же источника излучения, что снижает дополнительные погрешности от воздействия дестабилизирующих факторов в 2... 5 раз.

Определены условия дифференциального преобразования оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительного сигнала:

1 Световой поток, поступающий в зону измерения, должен быть сформирован от одного источника излучения и передаваться в зону восприятия измеряемой физической величины по одному подводящему оптическому волокну.

2 На выходе из подводящего оптического волокна должен быть сформирован световой поток, который обеспечивает равномерное распределение интенсивности света в месте расположения оптического модулирующего элемента.

3 Компоновка оптических волокон в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля и их расположение относительно оптического модулирующего элемента должны обеспечивать увеличение сигнала в одном канале и уменьшение в другом при перемещении оптического модулирующего элемента.

4 Алгоритм конструктивно-технологического исполнения оптического модулирующего элемента должен обеспечивать увеличение сигнала в одном канале и уменьшение в другом.

Разработана методика линеаризации функции преобразования ВОПМ, основанная на конструктивном исключении нелинейных участков функции преобразования (рисунок 3).

«зкмш д&яяЗай? пат, о

Рисунок 3 - Графическое отображение методики линеаризации функции преобразования

В соответствии с предложенной методикой линеаризации максимальную чувствительность и линейность преобразования можно достигнуть, если перемещение чувствительного элемента будет ограничено диапазоном значений от 0,015 йс до 0,09 <ЛС, где с1с - диаметр сердцевины ОВ. Практически это достигается юстировкой элементов оптической системы преобразователя в процессе сборки.

Разработан дифференциальный ВОДУ на базе предложенного конструктивного решения ВОПМ с цилиндрическим оптическим модулирующим элементом и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле (рисунок 4).

ВОДУ включает в себя волоконно-оптический преобразователь микроперемещений, состоящий из цилиндрической линзы 1, закрепленной на упругом элементе 2, одного подводящего оптического волокна 3 и двух отводящих оптических волокон 4. Корпус состоит из основания 5 и крышки 6, соединенных с помощью сварки. Для юстировки линзы по оси г относительно оптических волокон используются кольцевые прокладки толщиной 0,01...0,1 мм из материала упругого элемента (на рисунке не показаны). В частности, для диапазона рабочих частот 5... 128 Гц выбран упругий элемент в виде пластины из стали 36НХТЮ шириной 3 мм, толщиной 0,2 мм и рабочей дли-

ной 16,5 мм. Возможно изменение частотного диапазона по требованию заказчика.

Рисунок 4 - Волоконно-оптический датчик ускорения с модулирующим элементом в виде цилиндрической линзы

ВОДУ работает следующим образом. Световой поток Ф0 от источника излучения по ПОВ подается в зону измерения. Под действием ускорения происходит перемещение цилиндрической линзы, закрепленной на упругом элементе в корпусе датчика, в направлении оси 2. Перемещение линзы вызывает изменение интенсивности светового потока. Световые потоки Ф,(г) и Ф2(г), прошедшие через линзу, по ООВ первого и второго измерительных каналов поступают на приемники излучения ПИ1 и ПИ2 первого и второго измерительных каналов соответственно. Приемники излучения ПИ1 и ПИ2 преобразуют оптические сигналы Ф' 1 (¿г) и Ф'2(г) в электрические 1\(г) и /2(г) соответственно.

При обработке сигнала с дифференциального ВОДУ целесообразно сформировать отношение разности сигналов на выходе каналов

к их сумме- Ко) В этом случае снижается влияние на

/,(«)+/2(а)

точность измерения неинформативных изгибов волоконно-оптического кабеля, изменения мощности излучения ИИ и чувствительности ПИ, так как данные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в каналах, которые не влекут изменения отношения сигналов.

Получены передаточные функции, определяющие реакцию ВОДУ на вертикальную составляющую линейного вибрационного возмущения совместно с ускорением силы тяжести.

В четвертой главе проведен метрологический анализ дифференциального ВОДУ с цилиндрическим оптическим модулирующим

элементом и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле. Разработана метрологическая модель ВОДУ (рисунок 5).

д6*д,

Л^Дл

1+5т],1л)

Л1

цИ)-—@->•] К^П^бКци)-»-©->-| К|В11«5К|

д2.д,

1ч5ч,й)

д,»д«

Рисунок 5 - Метрологическая модель ВОДУ

Для анализа приняты следующие обозначения: Д| - погрешность юстировки источника излучения относительно подводящего оптического волокна; Д2- погрешность юстировки подводящего оптического волокна относительно оптического модулирующего элемента; А3 -погрешность из-за неточности изготовления формы оптического модулирующего элемента; Д4и Д5- погрешности юстировки оптического модулирующего элемента относительно отводящих оптических волокон первого и второго каналов соответственно; АЛ1 и АЛ2 - погрешности линейности функций преобразования первого и второго каналов соответственно; А6 - погрешность юстировки ООВ1 относительно приемника излучения первого канала; Д7 - погрешность спектрального согласования источника излучения относительно приемника излучения первого канала; Д8 - погрешность юстировки ООВ2 относительно приемника излучения второго канала; Д9 - погрешность спектрального согласования источника излучения относительно приемника излучения второго канала; БКМЭ - погрешность оптического модулирующего элемента, обусловленная изменением параметров измерительного преобразователя при изменении внешних влияющих факторов; 8КПов1 -погрешность, обусловленная изменением светопропускания ПОВ при изгибах волоконно-оптического кабеля, механических воздействий

и т.п.; бЛГоош и бЯоовг - погрешности, обусловленные изменением све-топропускания отводящих оптических волокон первого и второго каналов соответственно при изгибах волоконно-оптического кабеля, механических воздействий и т.п.; 55"ии - погрешность, обусловленная изменением мощности и диаграммы излучения источника излучения при изменении температуры окружающей среды, напряжения питания и т.п.; 85Пи1, 55пи2 ~ погрешности от изменения интегральной токовой чувствительности приемников излучения первого и второго каналов при изменении температуры окружающей среды, напряжения питания; 5г|1(А,), 8г|2(Х) - погрешность спектрального рассогласования источника излучения и приемников излучения первого и второго каналов соответственно при изменении температуры; а-ускорение.

Определены реальные функции преобразования:

- первого измерительного канала:

А/, = *пов а1 + ^мэ (д2 + а3 ) + *оов1 (а4 + ал1) +

+ Япт (Д6 + Д7)(8<?ии ) + *пов (8*пов)+ <8)

+[5тц (Х)]П1 (Х)+[5КМэ +8Коов1 +85Ш1]а; '

- второго измерительного канала:

Д/2 = ^повД) + *мэ (а2 + Аз) + ^оов2 (А5 + АЛ2 ) + + Япи2 (А8 + а?) + ^ии (55ии ) + *пов (8^пов) + + [8л2 (*)+[8^мэ + 8^оов2 + 8Япш ]«;

- датчика:

УР=КЯСА1+ Кочэ (А2 + А3 + Ал ) + КспА4 +

Анализ метрологической модели показал, что наиболее существенными погрешностями разработанного дифференциального ВОПМ являются погрешности юстировки ПОВ, ООВ1 и ООВ2 относительно оптического модулирующего элемента и погрешность, обусловленная изменением светопропускания ПОВ, ООВ1 и ООВ2 при изгибах волоконно-оптического кабеля, механических воздействий и т.п.

Проведены экспериментальные исследования дифференциального ВОПМ с цилиндрическим оптическим модулирующим элементом и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле с использованием разработанной методики экспериментальных исследований и метрологической установки для воспроизведения и юстировки оптической системы дифференциальных ВОПМ (рисунок б).

Рисунок 6 - Экспериментальные зависимости мощности светового потока от перемещения ОМЭ

Анализ экспериментальной зависимости Ржт = /(г) показал, что максимальное значение погрешности линейности |у|тах составляет 0,07 %, чувствительность преобразования ВОГ1М 4и/(И= 1,11 мВт/мкм.

Проведены экспериментальные исследования лабораторного макета дифференциального волоконно-оптического датчика ускорения на воздействие линейного ускорения (0...40g) и на воздействие повышенной температуры (рисунок 7).

а - напряжения от воздействия повышенной температуры; б - напряжения от воздействия линейных ускорений

Рисунок 7 - Экспериментальная зависимость

Анализ экспериментальной зависимости С/Эксп = Да) показал, что чувствительность преобразования датчика (Ш/ёа = 4,43 мВ/& температурная чувствительность - 1,17°С/мВ, дополнительная приведенная температурная погрешность - 1...2% (у отечественных аналогов 2..5 %), что отвечает требованиям, предъявляемым к информационно-измерительным системам ИИС, эксплуатируемых в специальных условиях ракетно-космической и авиационной техники.

В заключении отмечается, что в работе изложены новые научно обоснованные технические решения волоконно-оптических преобразователей микроперемещений и ВОД на их основе, внедрение которых позволит создать искро-, взрыво-, пожаробезопасные ВОИИС, имеющие улучшенное метрологические и эксплуатационные характеристики.

В приложениях представлены программы для определения конструктивных параметров оптико-механической системы волоконно-оптических преобразователей микропёремещений на ЭВМ, технологическая и конструкторская документация, фотографии экспериментальных образцов ВОДУ, в которых реализованы основные положения диссертации, акты внедрения результатов диссертации на предприятиях космической отрасли, в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Разработаны новые технические решения дифференциальных ВОПМ с цилиндрическим оптическим модулирующим элементом и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле, позволяющие улучшить технические и эксплуатационные характеристики ВОД в составе ВОИИС ракетно-космической и авиационной техники.

2 Разработана математическая модель оптической системы дифференциального ВОПМ, которая учитывает структуру пучка света, сформированного излучающим торцом подводящего оптического волокна в виде полого усеченного конуса, особенности новой конструкции оптического модулирующего элемента, новой компоновки оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле и схемы их расположения относительно оптического

модулирующего элемента.

3 Предложена методика определения условий реализации дифференциального преобразования оптических сигналов в дифференциальном ВОПМ с цилиндрической линзой, основанная на определении конструктивных параметров оптической системы, обеспечивающих такое расположение цилиндрической линзы относительно ОВ, когда перемещение верхней и нижней половин линзы преобразуется соответственно в изменение интен-сивностей оптических сигналов в первом и втором измерительных каналах, что обеспечивает снижение дополнительных погрешностей от воздействия дестабилизирующих факторов и изгибов оптических волокон.

4 Предложена методика линеаризации функции преобразования ВОПМ, основанная на исключении нелинейных участков функции преобразования в начале и в конце диапазона измерения, за счет конструктивной оптимизации параметров оптической системы, обеспечивающих расчетное смещение светового пятна, формируемого цилиндрической линзой относительно поверхности торцов отводящих оптических волокон.

5 Разработаны новая методика экспериментальных исследований и новая метрологическая установка, осуществляющая воспроизведение и юс-

тировку оптической системы дифференциальных ВОПМ с высокой точностью (до 1 мкм).

6 Разработана методика настройки и юстировки ВОПМ с цилиндрической линзой для определения пространственного расположения элементов оптической системы, обеспечивающая линейную функцию преобразования, максимальное значение коэффициента амплитудной модуляции и высокую чувствительность преобразования оптических сигналов в ВОПМ, с целью улучшения технических и эксплуатационных характеристик ВОДУ в составе ВОИИС.

7 Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей макетного образца дифференциального ВОПМ подтвердили теоретические положения диссертации. Результаты показали, что чувствительность преобразования увеличена в 2 раза по сравнению с аналогами (dU!dz = = 1,1 мВ/мкм, у аналогов - 0,6...0,7 мВ/мкм), аддитивная составляющая погрешности снижена до 0,08 % (у аналогов - 0,2 %), погрешность линейности - до 0,04 % (у аналогов - 0,2 %). Получены следующие параметры лабораторного макета дифференциального ВОДУ: чувствительность преобразования - 4,43 мВ/g, температурная чувствительность — 1,17 °С/мВ, смещение нуля - 0 ±0,01 мВ. Датчик сохраняет работоспособность при воздействии механического удара до 100 g.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Щевелев, А. С. Моделирование распределения интенсивности светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя перемещений с управляющим элементом в виде сферической линзы / А. С. Щевелев, Н. П. Кривулин, В. С. Волков // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. -2009.-№ 12.-С. 16-18.

2 Щевелев, А. С. Измерительная установка для исследований дифференциальных волоконно-оптических преобразователей углового перемещения / А. С. Щевелев, О. В. Юрова, С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2011. - № 6. - С. 58-64.

3 Щевелев, А. С. Технологические основы проектирования волоконно-оптического датчика ускорения / А. С. Щевелев, О. В. Юрова, С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, А. В. Архипов // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2011. -№6.-С. 39—43.

Публикации в других изданиях

4 Щевелев, А. С. Дифференциальный волоконно-оптический вибродатчик / А. С. Щевелев, Т. И. Мурашкина // Надежность и качество : тр. Междунар. симп.-Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. - Т. 1. - С. 405-407.

5 Щевелев, А. С. Волоконно-оптический датчик давления / А. С. Щевелев, А. Ю. Котов, Ю. М. Макаров, А. В. Гориш, С. А. Пономарев, Е. А. Бадеева, А. Г. Пивкин // Современная электроника. - 2010. -№ 4. - С. 36-37.

6 Щевелев, А. С. Дифференциальный волоконно-оптический вибродатчик / A.C. Щевелев, Т. И. Мурашкина, О. С. Граевский, Ю. Н. Макаров // Современная электроника. - 2010.-№1.-С.21-23.

7 Щевелев, А. С. Моделирование физических процессов в волоконно-оптическом преобразователе перемещений с цилиндрической линзой / А. С. Щевелев А Ю. Логинов, Т. И. Мурашкина // Надежность и качество : тр. Междунар. симп.'- Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - Т. 1. - С. 116-117.

8 Щевелев, А. С. Конструктивно-технологическое исполнение дифференциального волоконно-оптического датчика ускорений / А. С. Щевелев, С. Н. Ба-зыкин, Т. И. Мурашкина// Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза:

Изд-во ПГУ; 2010. - Т. 1. - С. 498-500.

9 Щевелев А. С. Дифференциальный волоконно-оптический преобразователь угловых перемещений / А. С. Щевелев, Е. А. Бадеева, О. В. Юрова, Ю. М. Макаров, А. В. Гориш // Современная электроника. - 2010. -№ 8. - С. 24-26.

10 Щевелев, А. С. Структурные и метрологические модели и алгоритмы преобразования оптических сигналов волоконно-оптического преобразователя перемещения с управляющим элементом в виде шарообразной линзы / А. С. Щевелев, В. Д. Зуев, Т. И. Мурашкина // Надежность и качество : тр. Междунар. симп.'- Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. - Т. 1. - С. 405-407.

11 Щевелев, А. С. Универсальные конструктивно-технологические решения волоконно-оптического кабеля для датчиков с открытым оптическим каналом / А. С. Щевелев, С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Бростилова // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» «Шляндинские чтения - 2010» (20-22 октября 2010 г.). - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - С. 200-202.

12 Щевелев, А. С. Дифференциальный волоконно-оптический датчик виброускорения. Конструкция и технология / А. С. Щевелев, О. В. Юрова, С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, А. Ю. Удалов // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 2. - С. 235-237.

13 Щевелев, А. С. Нестандартизированное оборудование для настройки, юстировки и экспериментальных исследований волоконно-оптического датчика ускорения // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза : Изд-во ПГУ,

2011.-Т. 2.-С. 232-234.

14 Щевелев, А. С. Технология дифференциального волоконно-оптического датчика виброускорения / А. С. Щевелев, О. В. Юрова, С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина// Датчики и системы : сб. докл. XXX науч.-техн. конф. молодых специалистов (30-31 марта 2011 г.). - Пенза: ОАО «НИИФИ», 2011.-С. 61-67.

15 Щевелев, А. С. Вывод функции преобразования дифференциального волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений / А. С. Щевелев, О. В. Юрова, С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина // Датчики и системы : сб. докл. XXX науч.-техн. конф. молодых специалистов (30-31 марта 2011 г.). - Пенза :

ОАО «НИИФИ», 2011. - С. 45-51.

16 Щевелев, А. С. Технология проектирования волоконно-оптического датчика ускорени / А. С. Щевелев, Т. И. Мурашкина // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. междунар. техн. конф.: в 2 т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 1. - С. 67-72.

17 Щевелев, А. С. Экспериментальная установка для проведения внутренних испытаний волоконно-оптического датчика ускорения / А. С. Щевелев // Ис-пытания-2011 : сб. материалов науч.-техн. конф. в рамках всерос. науч. школы

«Методики, техника и аппаратура внутренних и внешних испытаний» (г. Пенза, 3-7 октября 2011 г.). - Пенза: Изд-во ПТУ, 2011. - С. 89-91.

18 Щевелев, А. С. Экспериментальная виброустановка для внутренних испытаний волоконно-оптических датчиков ускорений / А. С. Щевелев, И. Т. Назарова, А. Ю. Удалов // Испытания-2011 : сб. материалов науч.-техн. конф. в рамках всерос. науч. школы «Методики, техника и аппаратура внутренних и внешних испытаний» (г. Пенза, 3-7 октября 2011 г.). -Пенза: Изд-во ПТУ, 2011. - С. 77-79.

19 Щевелев, А. С. Применение наноструктурированного чувствительного элемента в виде наноградиентной диэлектрической пластины (пленки) / А. С. Щевелев, Е. В. Кучумов, В. С. Волков // Инновационные технологии в машиностроительном комплексе : сб. тр. I Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Изд-во ПТУ, 2012. - С. 61-64.

20 Программа «Расчет конструктивных параметров оптической системы дифференциальных волоконно-оптических преобразователей перемещения»: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / А. С. Щевелев, Е. В. Кучумов, Т. И. Мурашкина, - № 18783 ; заявл. 24.11.2012 ; опубл. 19.12.2012.

Научное издание

Щевелев Антон Сергеевич

Дифференциальные волоконно-оптические преобразователи микроперемещений для информационно-измерительных систем

Специальность 05.11.16 — Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор М. Б. Жучкова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Распоряжение № 6/2013 от 01.03.2013 г.

Подписано в печать 18.03.13. Формат 60x84716- Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 168 .

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; е-таП:ис@рш?£и.ги

/л

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Щевелев Антон Сергеевич

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие

системы (приборостроение)

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор,

Мурашкина Т.И.

I !

Пенза 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................. 4

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПРЕДМЕТА

ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................... 12

1.1 Обоснование выбора волоконно-оптических информационно-измерительных систем для измерения параметров изделий ракетно-космической и авиационной техники............................................. 13

1.2 Анализ известных преобразователей перемещения и средств измерения на их основе на изделиях ракетно-космической и авиационной техники................................................................ 21

1.3 Обоснование и выбор нового конструктивно-технологического решения волоконно-оптического преобразователя............................ 31

1.4 Реализация волоконно-оптического преобразователя перемещений

с модулирующим элементом в виде цилиндрической линзы............... 37

Основные результаты и выводы................................................... 50

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ......................................... 52

2.1 Определение конструктивно-технологических параметров оптической системы волоконно-оптического преобразователя перемещения.......................................................................... 52

2.2 Результаты машинного эксперимента оптической системы волоконно-оптического преобразователя перемещений с модулирующим элементом в виде цилиндрической линзы................. 60

2.3 Учет сил сопротивления механической части дифференциального ВОПП с цилиндрическим модулятором........................................ 65

2.4 Результаты машинного эксперимента механической системы волоконно-оптического преобразователя перемещений с

модулирующим элементом в виде цилиндрической линзы................. 70

Основные результаты и выводы................................................... 74

ГЛАВА 3 КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ УЛУЧШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ............... 76

3.1 Особенности конструктивного решения дифференциального волоконно-оптического преобразователя перемещения с цилиндрическим модулирующим элементом и датчика ускорения на

его основе.............................................................................. 76

3.2 Особенности проектирования волоконно-оптического датчика

ускорения................................................................................ 84

Основные результаты и выводы.................................................... 108

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА УСКОРЕНИЯ............... 110

4.1 Анализ структурной и метрологической модели волоконно-оптического преобразователя перемещения с цилиндрическим оптическим модулирующим элементом и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле......................... 110

4.2 Описание конструкции и принципа действия измерительной установки для сборки, юстировки и исследования волоконно-оптических датчиков................................................................. 119

4.3 Экспериментальные исследования волоконно-оптического датчика ускорения на базе дифференциального волоконно-оптического преобразователя перемещения с цилиндрическим оптическим

модулирующим элементом......................................................... 125

Основные результаты и выводы................................................... 131

Заключение............................................................................. 132

Перечень принятых сокращений................................................... 134

Библиографический список......................................................... 136

ПРИЛОЖЕНИЕ А Программы моделирования оптико-механической системы волоконно-оптического преобразователя

микроперемещений................................................................. 143

3й

Приложение А1 Программа расчёта проекций светового пятна сформированного с помощью цилиндрического оптического

модулирующего элемента.......................................................... 143

Приложение А2 Программа распространения светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя микроперемещений с цилиндрическим оптическим модулирующим

элементом.............................................................................. 146

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Конструкция лабораторного макета волоконно-

оптического датчика ускорения..................................................... 150

ПРИЛОЖЕНИЕ В Анализ известных технических решений преобразователей датчиков ускорения, основанных на различных физических принципах............................................................... 151

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

В настоящее время быстрыми темпами разрабатываются и внедряются волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС), которые способны удовлетворить постоянную потребность ракетно-космической и авиационной техники (РК и АТ) в улучшении их метрологических и эксплуатационных характеристик.

Эти системы обладают несомненными преимуществами: отсутствие влияния на результат измерения электромагнитных полей; отсутствие побочных электромагнитных излучений, перекрестных помех каналов; отсутствие проблем, связанных с контурами заземления, с напряжениями смещения в местах соединения разнородных проводников и отсутствие проблемы дугообразования и искрения; высокая стойкость к вредным воздействиям среды; более легким, более тонким и более прочным кабелем, чем электрические аналоги; простота мультиплексирования сигналов; высокая скорость передачи данных. Основными компонентами ВОИИС являются волоконно-оптические датчики (ВОД).

Теоретические положения, касающиеся проектирования ВОД, изложены в трудах отечественных и зарубежных ученых: В. М. Бусурина, М. М. Бутусова, Ю. А. Гуляева, И. И. Гроднева, Е. А. Зака, М. П. Лисицы, В. М. Гречишникова, Я. В. Малкова, Т. И. Мурашкиной, А. Л. Патлаха, Н. П. Удалова и др. Однако известные технические решения волоконно-оптических преобразователей микроперемещений (ВОПМ) с различными оптическими модулирующими элементами (ОМЭ), являющихся основными элементами большинства ВОД, слабо адаптированы к требованиям ВОИИС РК и АТ и имеют низкие метрологические и эксплуатационные характеристики: низкую чувствительность преобразования оптических сигналов, большие значения основной и дополнительных погрешностей, обусловленные различными влияющими

факторами, в том числе, обусловленные изгибами волокон, сложность конструкции, высокую трудоемкость изготовления и компоновки элементов оптической системы (ОС).

Поэтому совершенствование ВОД, направленное на улучшение их метрологических и эксплуатационных характеристик, на основе оптимизации оптической системы, обеспечивающей рациональное использование оптической мощности, на основе разработки математических моделей ВОПМ, новых технических решений дифференциальных ВОПМ с новыми ОМЭ, реализующими дифференциальный алгоритм преобразования оптических сигналов, и датчиков на их основе для ВОИИС изделий РК и АТ представляют собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное народнохозяйственное значение.

Целыо диссертационной работы является: улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик волоконно-оптических преобразователей микроперемещений и датчиков на их основе для ВОИИС ракетно-космической и авиационной техники.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

анализ и обобщение известных волоконно-оптических преобразователей перемещения и ВОД на их основе, используемых в информационно-измерительных системах РК и АТ;

- математическое моделирование по определению конструктивных параметров ВОПМ с цилиндрическим ОМЭ и новой компоновкой оптических волокон (ОВ) в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля (ВОК), обеспечивающих дифференциальное преобразование оптических сигналов, максимальное значение коэффициента амплитудной модуляции и чувствительность преобразования оптических сигналов;

- разработка новых технических решений дифференциальных ВОПМ с цилиндрическим ОМЭ и новой компоновкой оптических волокон в

волоконно-оптическом кабеле с повышенной чувствительностью для ВОИИС;

- разработка методики и метрологического обеспечения (в том числе установки для экспериментальных исследований ВОД) для исследований новых ВОПМ, процедур настройки и юстировки оптической системы, обеспечивающих реализацию условий дифференциального преобразования оптических сигналов;

- разработка нового технического решения дифференциального волоконно-оптического датчика ускорения (ВОДУ) на базе ВОПМ с цилиндрическим ОМЭ и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле с повышенной чувствительностью для ВОИИС автотестирования испытательных средств;

- проведение экспериментальных исследований лабораторного макета дифференциального ВОПМ с цилиндрическим ОМЭ и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле и дифференциального ВОДУ для подтверждения теоретических положений диссертации.

Объектом исследования диссертационной работы является волоконно-оптическая информационно-измерительная система для измерения физических параметров изделий ракетно-космической и авиационной техники.

Предметом исследования являются дифференциальные волоконно-оптические преобразователи микроперемещений на базе цилиндрического оптического модулирующего элемента и датчики на их основе с улучшенными техническими (в том числе, метрологическими и технологическими), и эксплуатационными характеристиками для ВОИИС ракетно-космической и авиационной техники.

Проблемы, решенные в диссертации, соответствуют проблематике специальности 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы: пункт 6 «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей,

образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений» (создание новых ВОД с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками как элементов ВОИИС на основе усовершенствованных дифференциальных ВОПМ с новыми ОМЭ).

Методы исследований. При анализе ВОИИС применялись методы системного анализа. При разработке математических моделей дифференциальных ВОПМ использовались положения геометрической оптики и методы математической физики. При решении задач улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик использовались основные положения теории чувствительности, погрешностей, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и принципы математической обработки полученных результатов.

Научная новизна работы включает в себя:

1 Развитую теорию дифференциальных волоконно-оптических преобразователей микроперемещений, позволяющая улучшить метрологические и технологические характеристики волоконно-оптических датчиков в составе ВОИИС за счет новой схемы компоновки оптических волокон в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля и схемы их расположения относительно оптического модулирующего элемента, обеспечивающих дифференциальное преобразование оптических сигналов, а также за счет введения в оптическую систему оптического модулирующего элемента в виде кварцевой цилиндрической линзы, выполняющей одновременно функции модулирующего, инерционного и управляющего элемента.

2 Математическую модель оптической системы дифференциального ВОПМ, учитывающую структуру пучка света, сформированного излучающим торцом подводящего оптического волокна (ПОВ) в виде полого усеченного конуса, новую компоновку оптических волокон в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля и схему их расположения относительно ОМЭ в виде цилиндрической линзы, параметры которой определяются параметрами и схемой компоновки оптических волокон в ВОК.

3 Методику определения условий реализации дифференциального преобразования оптических сигналов в ВОПМ с цилиндрической линзой, отличающуюся тем, что методика основана на определении конструктивных параметров оптической системы, обеспечивающих такое расположение цилиндрической линзы относительно оптических волокон, когда перемещение верхней и нижней половин линзы преобразуется соответственно в изменение интенсивностей оптических сигналов в первом и втором измерительных каналах, обеспечивающее снижение дополнительных погрешностей от воздействия дестабилизирующих факторов и изгибов оптических волокон.

4 Методику линеаризации функции преобразования ВОПМ, основанную на исключении нелинейных участков функции преобразования в начале и в конце диапазона измерения на основе конструктивной оптимизации параметров оптической системы, обеспечивающей расчетное смещение светового пятна, формируемого цилиндрической линзой, относительно поверхности торцов отводящих оптических волокон (ООВ).

Практическая значимость работы.

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ЛГУ) в НТЦ «НАНОТЕХ» на кафедре «Приборостроение», и способствует решению актуальной научно-технической задачи моделирования и конструирования новых дифференциальных ВОПМ и волоконно-

оптических датчиков для ВОИИС на их основе (перемещения, виброперемещения, ускорения, давления, виброускорения, деформации, аэродинамических углов и др.), имеющих улучшенные метрологические и эксплуатационные характеристики.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, позволяют перейти к промышленному производству и внедрению дифференциальных ВОПМ и волоконно-оптических датчиков в ВОИИС на их основе для изделий РК и АТ.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках аналитических ведомственных целевых программ «Развитие научного потенциала высшей школы (20062008, 2009-2011 гг.)» в форме грантов Министерства образования и науки РФ «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом» (шифр РНП.2.1.2.2827) и «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами» (№ 2.1.2/937).

На защиту выносятся:

1 Новые технические решения дифференциальных волоконно-оптических преобразователей микроперемещений с цилиндрическим оптическим модулирующим элементом и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле и ВОД на их основе, используемых в ВОИИС при условиях повышенной искро-, взрыво-, пожароопасности, воздействия сильных электромагнитных помех, механических нагрузок, повышенных температур, характерных для изделий РК и АТ.

2 Математическая модель и результаты математического моделирования оптической системы дифференциального волоконно-оптического преобразователя микроперемещений с цилиндрическим оптическим модулирующим элементом и новой компоновкой оптических

волокон в волоконно-оптическом кабеле, которая заключается в симметричном расположении оптических волокон вдоль вертикальной оси на расчетном расстоянии от оптического модулирующего элемента, обеспечивающем линейность функции преобразования, максимальное значение коэффициента амплитудной модуляции и максимальную чувствительность преобразования оптического сигнала.

3 Методика определения условий реализации дифференциального преобразования оптических сигналов в волоконно-оптическом преобразователе микроперемещений с цилиндрическим оптическим модулирующим элементом и новой компоновкой оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле, основанная на определении оптимального пространственного расположения элементов оптической системы, обеспечивающая линейность функции преобразования, максимальное значение коэффициента амплитудной модуляции и максимальную чувствительность преобразования оптического сигнала.

4 Методика линеаризации функции преобразования волоконно-оптического преобразователя микроперемещений, основанная на конструктивном исключении нелинейных участков функции преобразования в начале и в конце диапазона измерения путем смещения светового пятна, формируемого цилиндрической линзой относительно приемной поверхности отводящих оптических волокон.

Реализация и внедрение результ�