автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Технологические методы и средства повышения точности волоконно-оптических преобразователей линейных и угловых перемещений отражательного типа

11-6 3528

На правах рукописи

ЮРОВА Ольга Викторовна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕДУРЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА

Специальность 05.11.14 —Технология приборостроения

Автореферат диссертапии на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2011

Работа выполнена на кафедре «Приборостроение» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Татьяна Ивановна Мурашкина.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Аверин Игорь Александрович; кандидат технических наук Цибиэов Павел Николаевич

Ведущая организация - ОАО «НИИ физических измерений», г. Пенза.

Защита диссертации состоится 15 декабря 2011 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», с авторефератом - на сайте Министерства образования и науки РФ.

Автореферат разослан « »__2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор А. В. Светлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание и внедрение на отечественных инженерно-технических объектах (ИТО) ракетно-космической и авиационной техники (РК и АТ) волоконно-оптических информационно-измерительных систем (ВОИИС) предполагают разработку определенной компонентной базы и, в первую очередь, волоконно-оптических датчиков (ВОД) различных физических величин.

Проблемами создания ВОД занимались как зарубежные, так и отечественные ученые: В. Д. Бурков, В. И. Бусурин, М. М. Бутусов, А. В. Гориш. В. М. Гречишников, В. Г. Жилин, Е. А. Зак, Н. Е. Конюхов, Я. В. Малков, Т. И. Мурашкина, А. Л. Патлах, В. Т. Потапов, Н. П. Удалов и др. В то же время в известной научно-технической литературе недостаточно отражены технологические особенности проектирования и изготовления ВОД для ИТО, эксплуатируемых в специальных условиях РК и АТ.

Для достижения требуемых метрологических и эксплуатационных характеристик ВОД на первый план выступают технологические вопросы изготовления оптических систем их измерительных преобразователей. До настоящего времени не решены технологические вопросы, обеспечивающие эффективные процессы юстировки, настройки, регулировки, сборки оптической системы волоконно-оптических преобразователей линейных (ВОПЛП) и угловых перемещений (ВОПУП), являющихся основными базовыми элементами ВОД различных физических величин. Это отражается на технических характеристиках и себестоимости ВОД.

Особенности проектирования надежных и высокоточных ВОД для ИТО РК и АТ требуют исключения влияния на результат измерения изгибов оптических волокон, которое возможно достичь применением дифференциальных схем преобразования оптических сигналов, несущих информацию об измеряемой физической'ве-личине. Данное преобразование целесообразно проводить с оптическими сигналами непосредственно в зоне восприятия измеряемой информации, что является новым технологическим решением. Для этого необходимо разрабатывать новые адекватные конструктивно-технологические решения ВОПЛП и ВОПУП.

Наибольшее распространение получили ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, как наиболее простые в изготовлении. Для достижения высокой точности и надежности ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа необходимы современные технологические процессы и процедуры юстировки, настройки, регулировки их оптических систем, обеспечивающие формирование оптимальной структуры светового потока, несущего измерительную информацию о физических величинах в различных точках ИТО.

Создание новых технологических процессов изготовления ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности светового потока в оптической системе, на основе развития теории дифференциального преобразования оптических сигналов в зоне восприятия измерительной информации, обеспечивающих существенное улучшение их метрологических и эксплуатационных характеристик, представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

Цель исследований. Целью диссертационной работы является совершенствование технологии изготовления дифференциальных волоконно-оптических преобразователей линейных и угловых перемещений отражательного типа для волоконно-

оптических информационно-измерительных систем инженерно-технических объектов ракетно-космической и авиационной техники.

Научная задача, решенная в диссертации, - обоснование и разработка новых технологических решений, обеспечивающих улучшение технологии изготовления ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности светового потока под действием измеряемой физической величины модулирующими элементами с отражающими поверхностями.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

разработка методики математического моделирования базовых конструктивных и технологических решений ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающей повышение точностных характеристик ВОД;

разработка базовых унифицированных конструктивно-технологических решений ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, волоконно-оптического кабеля (ВОК), позволяющих конструировать новые образцы ВОД отражательного типа различных физических величин;

разработка структурных, математических и метрологических моделей дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, позволяющих определить источники погрешностей и способы их уменьшения;

модернизация способа уменьшения дополнительной погрешности ВОД отражательного типа, основанного на дифференциальном преобразовании светового потока в оптическом канале ВОПЛП и ВОПУП за счет применения модулирующих отражательных элементов, реализующих дифференциальный алгоритм преобразования оптических сигналов, новых схем компоновки и позиционирования оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле и взаимного расположения элементов оптической системы;

разработка новых конструктивно-технологических решений дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающих максимальные глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала, простоту юстировки элементов оптической системы;

разработка методики определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа;

- разработка технологии позиционирования элементов, а также технологических процедур юстировки и регулировки оптических систем дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, позволяющей существенно уменьшить аддитивную составляющую погрешности ВОД.

Методы исследований. При проведении исследований использовались методы математического анализа, линейной алгебры и аналитической геометрии, геометрической оптики, интегрального и дифференциального исчисления, математической физики, решения оптимизационных задач, численного анализа, имитационного моделирования на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях применялись положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов. Достоверность полученных теоретических результатов и выводов подтверждалась экспериментальными исследованиями созданных образцов ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа.

На защиту выносятся:

1. Научно обоснованные базовые технологические и конструктивные решения оптических систем ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, отличающиеся способом позиционирования подводящих и отводящих оптических волокон относительно отражающих поверхностей модулирующего элемента и относительно друг друга, обеспечивающие улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик ВОД различных физических величин.

2. Методика математического моделирования оптических систем ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, основанная на определении местоположения сечений в полом усеченном конусе светового потока с равномерным распределением освещенности, обеспечивающая компактную математическую модель преобразования измеряемой физической величины в изменение параметров оптического сигнала, определяющая технологическую последовательность изготовления и конструктивной оптимизации ВОД.

3. Дифференциальный способ снижения дополнительной погрешности ВОД, основанный на использовании двух оптических измерительных каналов, отличающийся тем, что световой поток в них вводится по двум подводящим оптическим волокнам от одного источника излучения, а отраженные от двух зеркальных перемещающихся поверхностей одного дифференциального модулирующего элемента световые потоки, интенсивность одного из которых уменьшается, а другого увеличивается при перемещении модулирующего элемента (МЭ), по отводящим оптическим волокнам первого и второго измерительных каналов направляются на приемники излучения первого и второго измерительных каналов соответственно.

4. Математические зависимости, определяющие конструктивно-технологические параметры дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, при которых реализуются условия дифференциального преобразования оптических сигналов.

5. Технологические процедуры юстировки и регулировки и технологические установки, обеспечивающие точность позиционирования элементов оптической системы ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа и реализацию условий, при которых осуществляется дифференциальное преобразование оптических сигналов в зоне восприятия измерительной информации.

Новизна научных результатов заключается в следующем.

1. Разработаны технологические и конструктивные решения ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, отличающиеся отсутствием изгибов оптических волокон и модуляцией интенсивности светового потока за счет механического перемещения элементов оптической системы при воздействии измеряемой физической величины в разрыве волоконно-оптического канала, что обеспечивает их надежность и точность в сложных эксплуатационных условиях.

2. Разработана методика математического моделирования ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, отличающаяся тем, что учитывает особенности и связь предложенной последовательности математических преобразований с конструктивно-технологической оптимизацией ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа на этапе проектирования, что позволяет существенно сократить материальные и временные затраты на изготовление датчиков.

3. Модернизирован дифференциальный способ снижения дополнительной погрешности ВОД, отличающийся тем, что два канала дифференциальной схемы, на-

ходящиеся в одинаковых рабочих условиях, воспринимающие и преобразующие одну и ту же измеряемую физическую величину с помощью одного и того же модулирующего элемента, преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения, что обеспечивает снижение аддитивных и мультипликативных погрешностей ВОД.

4. Получены математические зависимости, определяющие условия дифференциального преобразования оптических сигналов в ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, выведенные впервые.

5. Разработаны технологические процедуры юстировки и регулировки оптической системы ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа и методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, основанные на том, что исходя из условия равенства расстояний, которые проходят отраженные лучи первого и второго измерительного канала в противоположных направлениях, определяются начальное расстояние между торцами оптических волокон и отражающих поверхностей и расстояния между оптическими осями подводящих (ПОВ) и отводящих (ООВ) оптических волокон.

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение» в НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем», и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания технологических процессов изготовления дифференциальных ВОД и внедрению их в ВОИИС на изделиях РК и АТ. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, создание макетных образцов дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП позволяют перейти к промышленному производству и внедрению дифференциальных ВОД (давления, деформации, частоты вращения, линейного и углового перемещения, виброперемещений, виброускорений, линейных ускорений), для которых они являются базовыми.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в соответствии с «Комплексной программой НИР и ОКР по созданию средств измерений, контроля и диагностики для космических аппаратов, испытательных центров наземной экспериментальной базы на период до 2010 г.», в рамках договора № 20 от 30.09.2008 г. между НТЦ «НАНОТЕХ» ПГУ и ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А. И. Глухарёва, г. Энгельс-19 Саратовской обл., а также в рамках аналитических ведомственных целевых программ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008, 2009-2011 гг.)» в форме грантов Федерального агентства по образованию «Разработка теории распределения светового потока в пространстве ВОГ1 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).

Реализация результатов работы. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора реализованы при разработке конструкторской и технологической документации датчиков давления - шифр ВОДО-НАНОТЕХ отражательного типа, ВОДА-НАНОТЕХ атгенюаторного типа, ускорений - шифр ВОДУ-НАНОТЕХ отражательного типа, в которых базовым элементом являются

разработанные дифференциальные ВОПЛП и ВОПУП, а также внедрены в учебный процесс ПГУ на кафедре «Приборостроение».

Элементы теории проектирования дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве ВОП физических величин с открытым оптическим каналом», «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами», а также в лабораторном практикуме дисциплины «Теория измерений» на кафедре «Приборостроение» ПГУ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на II Инвестиционном форуме Пензенской обл. (Пенза, 2008 г.), Международной выставке «Helirussia-2008» (Москва, «Экспо-Крокус», 2008 г.), Международных научно-технических симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2009, 2010, 2011 гг.), IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2009 г.), III Российском форуме «Российским инновациям - российский капитал» и VIII ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (Ижевск, 2010 г.),VI Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011 г.), Международной технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011 г.), IV Российском форуме «Российским инновациям » российский капитал» и IX ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (Оренбург, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, из которых 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, I патент на изобретение. Без соавторов опубликована 1 работа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, семи приложений. Основная часть изложена на 223 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 11 таблиц, Библиографический список содержит 86 наименований. Приложения к диссертации занимают 24 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе обобщены и систематизированы известные сведения о состоянии вопроса в области создания и использования ВОД для ВОИИС ракетно-космической, авиационной и другой техники.

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 с высокой точностью.

Определен предмет исследований - новые технические решения и технологические процессы изготовления оптической системы ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа.

В ВОП, разрабатываемых для специальных ИТО и применяемых в сложных эксплуатационных условиях, должны отсутствовать изгибы оптических воло-

кон (ОВ), что возможно при использовании открытых оптических каналов, в которых модуляция интенсивности светового потока осуществляется за счет механического перемещения отдельных элементов оптической системы при воздействии измеряемой физической величины в разрыве волоконно-оптического канала. Для достижения требуемых метрологических характеристик ВОД необходимо формирование рациональных пространственных структур пучка лучей путем реализации процедур юстировки и оптической регулировки оптической системы, а также изменения конструктивно-технологических параметров оптической системы ВОПЛП и ВОПУП, к которым относятся оптические и конструктивные параметры ОВ, их количество и пространственное распределение, формы и радиусы кривизны преломляющих и отражающих поверхностей, расстояния между поверхностями, показатели преломления сред, составляющих оптическую систему, материалы конструктивных элементов оптического канала.

Разработана новая методика математического моделирования ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, учитывающая особенности и связь предложенной последовательности математического моделирования с конструктивно-технологической оптимизацией ВОПЛП и ВОПУП. Отличительные особенности данной методики следующие (рис. 1):

введен пространственный модуляционный коэффициент К{Х, У, 2), характеризующий распределение оптической мощности в пространстве ВОПЛП и ВОПУП;

на основе математической и графической модели коэффициента К(В) = = Е/Ец, характеризующего распределение плотности мощности по сечению пучка света, определяется приближенное значение расстояния Х0 между общим торцом ПОВ и ООВ и отражателем, при котором распределение освещенности в сечениях вдоль оси 2 равномерное, т.е. К(В) = 1;

дк

из условий: глубина модуляции больше 30 %, Дл= шгп, = шш, -= шах -

д7

определяются диапазон перемещения отражателя для ВОПЛП и

Ошт- Опт для ВОПУП, взаимное расположение ПОВ и ООВ в торцах ВОК;

на основе математической и графической модели Щ$осв) = $пр/$оов уточняется расстояние Хо и определяется расстояние О между ПОВ и ООВ.

На основании математического моделирования осуществляется оптимизация конструктивно-технологического исполнения ВОПЛП и ВОПУП: определяются и уточняются пространственное расположение МЭ относительно ПОВ и ООВ, профиль и размеры МЭ, пространственное расположение ОВ в рабочих торцах ВОК, технология юстировки элементов ВОПЛП и ВОПУП.

Проведена математическая формализация процесса распределения светового потока в ВОПЛП и ВОПУП. Например, модуляция интенсивности светового потока в ВОПУП, когда освещенная зеркальная отражающая поверхность перемещается под углом а относительно торцов ОВ, происходит следующим образом. Под действием измеряемой физической величины зеркальная поверхность перемещается относительно общего торца ВОК под углом а (рис. 2).

При этом кольцевая зона преобразуется в эллипсоидную, которая смещается относительно ООВ в направлении 2. Соответственно изменяется площадь Зщ. приемного торца ООВ, освещенная отраженным от зеркала световым потоком, т.е. 5пр =Ла)- Функция преобразования (ФП) ВОПУП Ф(а) имеет вид

Ф(а) =К( а)Ф02, (1)

где К(а) - коэффициент передачи тракта «ПОВ - зеркальная отражающая поверхность, перемещающаяся под углом а, - ООВ»: Ф0 - световой поток, введенный в зону измерения ВОПУП.

■ ЭхсЗкые 5елич]ны: X Ы, Фо

I

ВыШ Функции преобразоСония! Ф=/|/П или Ф-/(а1

ВЬейение пространственного коэффициента Ш.ГЛ. Ш\--К\КУЛ%

Для цилиндрических конструкции ВОЛ] K\X.Y.n--K\X.Z\: I

Л

ОпреЗеление математической и графической моЭели №кГ/Г„

ОпреЗеление математической и графической моЗели

ОпреЗеление услсбий оптимизации конструктивных параметров

»год A,=a«x ла,»=™п.!.

Е

л1

-| =ток

ОпреЗеление Ха при K[XU\

[ОпреЗеление Взаимного

f ОпреЗеление габаритных | размероб отрахотеля

расположения СВ I 6 торцах ВОК

'Оптимизация конструктивных пораметроЬ ВНП

гайципйй |таге(ы опрпдиЕЛ* , цдпгродпДвнде pocnywatg СВ 0 ribum ирцв ВЖ

КтопчшиЬ« лцтапш молпипшш

I

4

KncipjjcnAnc

Рис. 1. Графическое отображение новой методики математического моделирования ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа (Х- и линейное перемещение X, и угловое перемещение а)

При Фо = const вид функции преобразования Ф(а) будет определяться видом функции передачи оптического тракта, т.е. коэффициента К(а), в диапазоне измерения. Эллипсоидная зона имеет переменные полуоси, размер которых зависит от значения угла а.

С учетом геометрических построений, приведенных на рис. 2, имеем

к

Z^np

JC(a) = p^_. (2)

где р - коэффициент отражения зеркальной поверхности МЭ: i=\...k- количество ООВ; 5э - площадь эллипсоидной зоны в плоскости приемных торцов ООВ; 5га. = 5] + S2. Площади S¡ и S2 представляют собой сектора, образованные взаимным пересечением окружности радиусом, равным радиусу гс сердцевины ОВ, и эллипса, образованного отраженными лучами в плоскости общего торца ОВ, большая полуось которого - Я), а малая - гэ, и хорды АВ длиной а. Большая полуось Яэ определяется выражением Яэ = Rcosa, а малая полуось - гэ = rccosa.

Рис. 2. Геометрические построения к управлению световым потоком с помощью зеркала, перемещающегося относительно оптической оси оптических волокон под углом а

В соответствии с рис. 2

_ (i? eos а)2 . 7i6 . пч (rc cosa)2 . тг/ . .

S, =--—(—t--sinB), 5,=-^-!=-—(—■—sinv),

1 2 180 2 2 180

(3)

где P = 2arcsin————, y-2arcsin ^

2 Я cosa Окончательно:

2rc eos a

„ _ (Rcosa)2

"ПР--1-

л . Ъ

—-aresm —--

90 2R eos а

sin (2 aresin

(rc cosa)2

2Ácosa b

n . b . ..

—aresm--sin (2 aresm-

90 2rrcosa 2r,,cosa

где

b=AB=2 2_(Ц + (гссоза)--(Ясоза) 2 " c 2 2D,

Окончательно коэффициент преобразования К(а) определится как

К(а)=

к >•=1

(Л eos а)

47T7-c(2A-,.tg0,v,

Ь

—aresin -90 2*cosa

sin(2 aresin

2R eos а

) +

(rc cosa)

90

-aresin -

2 rr

-sin(2arcsin-)

2 rr

Модуляция интенсивности светового потока в ВОШШ, когда освещенная зеркальная отражающая поверхность перемещается перпендикулярно торцам ОВ в направлении X, происходит аналогичным образом, что и в ВОПУП. Только в этом случае в плоскости приемного торца ООВ наблюдается освещенная кольцевая зона шириной к = 2гс, внешний радиус которой Лвнеш = где X, - текущее зна-

чение расстояния от зеркала до ОВ; - апертурный угол ОВ.

Функция преобразования ВОШШ имеет вид Ф(Х) = К(Х)Ф0, где Ф0 - световой поток, введенный в зону измерения ВОПЛП; К(Х) - коэффициент передачи тракта «ЛОВ - зеркальная отражающая поверхность - ООВ»:

к(Х)=-е-¿i*!

-О Si 2

—aresin—- sin(2arcsin 90 2Л 2R

Гс Г я .а . . а .

+— —aresin--sin(2 aresrn-)

2 j_ 90 2rc 2rc

(6)

I В r2-R2 где а = АВ = 2. г}-(— + —-)2 , /' = \...к- количество ООВ.

V 2 2В

Во второй главе разработана последовательность моделирования конструктивно-технологических элементов оптической системы ВОПЛП и ВОПУП. определены критерии оптимизации элементов, узлов и оптической системы в целом. Определяющими параметрами являются линейность функции преобразования, чувствительность преобразования и глубина модуляции оптического сигаала.

Сформулирована и решена задача моделирования оптической системы ВОПЛП и ВОПУП, которая позволяет определить оптимальные конструктивно-технологические параметры, удовлетворяющие системе ограничений с допустимой погрешностью изготовления в границах доверительных интервалов с заданной надежностью. Предложен алгоритм решения задачи моделирования оптической системы по итерационной схеме уточнения конструктивно-технологических параметров ВОП.

Определено, что, изменяя тем или иным образом в процессе юстировки параметры Ь, Д х0, можно целенаправленно изменять вид функций К - К = ДА), добиваясь максимальной чувствительности преобразования при максимально достижимых линейности функции преобразования и глубине модуляции оптического сигнала (рис. 3).

Разработаны измерительные установки для осуществления процедур юстировки и оптической регулировки оптической системы ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа. Предложено использовать разработанные установки-имитаторы линейных и угловых перемещений для снятия зависимостей выходных мощностей

Рис. 3. Расчетные зависимости К ~ЛХ) Рис. 4. Экспериментальные зависимости

Ж = Д<х)

Модернизирован дифференциальный способ снижения дополнительной погрешности ВОД. Разработаны обобщенные структурные схемы базовых дифференциальных ВОД, элементами которых являются ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа с электрическим и оптическим входами и выходами (рис. 5).

W=fiX) и W = fia) от начального расположения МЭ (рис. 4). Анализ полученных зависимостей на соответствие критериям оптимальности позволяет выбрать ФП и соответствующие данной зависимости конструктивно-технологические параметры оптической системы изготавливаемых ВОП.

X, мкм

Х(а)

Рис. 5. Структурно-аналитическая модель дифференциальных ВОП с оптическим входом и выходом

ВОК представляет собой жгут ПОВ и ООВ двух измерительных каналов и предназначен для передачи световых потоков от источника излучения (ИИ) в зону измерения и обратно к приемникам излучения ПИ1 и ПИ2 первого и второго измерительного канала (ИК) соответственно. В нашем случае один из элементов ВОК является частью конструкции ВОД второй - частью конструкции оптоэлеетронно-го блока (ОЭБ) - согласующего устройства.

Принцип действия дифференциального ВОД отражательного типа в общем случае заключается в следующем. Световые потоки Ф01 и Ф02 от ИИ через посредство узла юстировки УЮ1 по ПОВ1 и ПОВ2 направляются в зону измерения к первой и второй отражающим поверхностям МЭ соответственно. Под действием измеряемой физической величины X или а изменяются интенсивности отраженных световых потоков Ф|(А) или Ф((а) и Ф?(Х) или Ф2(а) соответственно. По ООВ 1 и ООВ2 световые потоки Ф01Ш и Ф<и(Х) или Ф<п(а) и Ф(д(а) через узлы юстировки УЮ2 и УЮЗ поступают на ПИ1 и ПИ2 первого и второго ИК соответственно. С выхода ОЭБ снимаются электрические сигналы /¡(X) и 1г(Х) или /i(a) и /2(а). Данные сигналы поступают на вход блока преобразования информации, где происходит, например, операция деления сигналов 1\{Х) и h(X).

Разработана метрологическая структурная модель ВОД (рис. 6), в соответствии с которой реальные функции преобразования первого и второго ИК, а на их основе погрешность преобразования:

A/i = -KnoB^i + ^oTPi(4aM3i + А2 + ДмэО + ^оовКД» + A« + Длотр! + + AOTPI) + 511И1(Д8 + Д10) + (55ии)5ин + (З^цовЖпов + [ол Л i (>-) + - [55Мэ + 5Ä^otpi + SAToobi + З^пшУ; ¿J-z = АГповА| + -^отр2(Алмэ2 + Аз + Дмэз) + ^oobi(As + Д7 + Адотр2 + + Дотр2) + 5пш(Д9 + An) + (55ии)5ии + (5*ПОвЖпов + [SrhWJthM +

+ [S5M3 + 6Ädtp2 + SÄ00B2 + SiiuuJ^- (7)

Рис. 6. Метрологическая модель дифференциальных ВОП с оптическим входом и выходом

Определено, что большинство технологических аддитивных погрешностей Д2, Д3 Д,, Д5 из-за неточности начальной установки МЭ относительно ПОВ и ООВ, А« и Д7 из-за неточности юстировки ПОВ и ООВ друг относительно друга в зоне изме-

рения физической величины, Ag, Д9 - юстировки ООВ1 и ООВ2 относительно ПИ1 и ПИ2 несущественны, если процедура юстировки элементов оптической системы осуществлена в соответствии с разработанной процедурой юстировки.

Мультипликативные погрешности б^ии, З^т-п. й^цц, обусловленные изменением энергетических параметров ИИ и ГШ и коэффициента преобразования оптической системы ВОП при изменении параметров окружающей среды, носят систематический характер, поэтому могут быть исключены. Погрешности Дю и Дц спектрального согласования ИИ и ПИ несущественны, если правильно подобраны пары «ИИ - ПИ». Погрешность Д| юстировки ИИ относительно ПОВ и погрешность 55ии от изменения мощности и диаграммы излучения ИИ, если используется один ИИ для двух ИК, практически равны нулю, так как ПОВ 1 и ПОВ2 относительно излучающей площадки ИИ юстируются симметрично таким образом, чтобы симметричная круговая диаграмма излучения ИИ была разделена на две одинаковые части. Соответственно, изменение интенсивности светового потока ведет к пропорциональному изменению сигналов первого и второго ИК.

Погрешности преобразования каждого из ИК без учета погрешностей, которыми можно пренебречь, будут определяться выражениями

А/1 = ^отр1(Длмэ1 + А2+ ДмэО + ^оош(Д4 + Дб + Длотр1 + Aotpi) + (8)

Д/2 = АГ0тр2(Алмэ2 + А3 + ДМЭз) + ^0002(^5 + Д7 + Длотрг + AotP2) + 5SM3X, (9) а реальная функция преобразования запишется:

У? = SM3(l + 5SM3)SunKn0BKa( 1 + oK^UnX х * [(-Kotpi + Адмэ1 + А2 + АмэО^пиК^оов! + Д4 + А« + Алотп +

+ Aotpi) I (Ж0ТР2 + Длмэ2 + Аз + Амэз^пигС^оовг + Д5 + Д7 + Длотр2 + Аотрг)]- (Ю)

Очевидно, что в дифференциальной схеме Длмэ! ~ Алмэ25 Д2 а A3, ДМЭ1« ДМЭ2, Д4« Д5, Ai « Д7, Алотр1 ~ Алотр2. тогда:

- для ВОПЛП Ур = 5мэ(1 + б^мэ^ииАГпов^отр^пи^

х (A!qobi + Aotpi) i^отрг^пиг^оовг + Аотр2)]^ву(1 + 5А!вУ)^/пЛг; (11)

- для ВОПУП УР = 5МЭ(1 + б^мэ^ииАГпов^отр^пшх

* (■Koobi + Aotpi) / -Котрг^пшСКоовг + Аотр2)Жву(1 + satby)i^na- (12)

Определено, что неисключенными остаются технологические погрешности Aotpi, Аотр2> обусловленные неточностью изготовления отражающих поверхностей, которые можно снизить технологическим путем. Дифференциальная схема позволяет снизить большинство погрешностей ВОД (суммарная погрешность не более 3 %). Кроме того, если прибегнуть к предварительному вычитанию сигналов с выходов каждого из ИК, можно удвоить чувствительность преобразования.

В третьей главе определены условия, при которых обеспечивается дифференциальное преобразование оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительного сигнала и для выполнения которых разработана технологическая последовательность, включающая восемь этапов:

1) формирование двух одинаковых световых потоков двух измерительных каналов от одного ИИ путем введения световых потоков в ПОВ 1 и ПОВ2, расположенных симметрично относительно ИИ;

2) формирование на излучающих торцах ПОВ 1 и ПОВ2 двух одинаковых световых потоков в виде полых усеченных конусов с толщиной стенок, равной диаметру сердцевины ОВ;

3) нахождение поперечных сечений А-А в полых усеченных конусах, в которых распределение освещенности равномерное;

4) расположение дифференциального МЭ в зоне с равномерным распределением освещенности;

5) юстировка ПОВ1 и ООВ1 и ПОВ2 и ООВ2 относительно двух отражающих поверхностей МЭ;

6) введение одной части отраженного от МЭ светового потока в отводящие волокна ООВ 1 первого ИК;

7) введение второй части отраженного от МЭ светового погока в отводящие волокна ООВ2 второго ИК;

8) передача световых потоков по ООВ1 и ООВ2 на ПИ1 и ПИ2 первого и второго ИК соответственно.

Для снижения большинства погрешностей ВОД реализована дифференциальная схема преобразования оптических сигналов в зоне восприятия измеряемой физической величины и предложены новые дифференциальные конструкции ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, в которые введен дифференциальный МЭ в виде конструктивного элемента с двумя зеркальными отражающими поверхностями (рис. 7).

Рис. 7. Расчетная схема волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений: а - начальное положение МЭ; б - отклонение МЭ на угол а

С двух сторон МЭ расположены ОВ первого и второго ИК, причем ПОВ1 первого ИК расположены соосно с ООВ2 второго ИК и, наоборот, ПОВ2 второго ИК расположены соосно с ООВ1 первого ИК. Оптические схемы дифференциальных ВОПУП и ВОПЛП юстируются так, что в отсутствие измеряемой физической величины световое излучение, выходящее из торцов ПОВ1 и ПОВ2, после отражения от зеркальных поверхностей МЭ равномерно распределяется между торцами ООВ1 и ООВ2.

В ВОПУП появление силы, вектор которой перпендикулярен плоскости МЭ, приводит к смещению её на угол а, а в ВОПЛП - к перемещению на расстояние X, относительно первоначального положения и тем самым к изменению потока излучения, попадающего в приемные торцы ООВ1 и ООВ2.

Определены функции преобразования оптических систем ВОП: -для ВОПЛП:

I канала

4 2К \ 2

Ф(Х) гишела / Ф0 = 1 - Щ¡Ъкшала = 1 " (

4-!-ЗГС5Ш--

и\ 2 190 2Л

л о . .а .

—агс51п--ыт(2 агсьщ-;

90 2гс 2гс

V К

7

м [ £

7Г . а а г,:

—агсэт--31П(2агс5ш—) + —

90 2Я 2Я] 2

я .а . . а .

—агсзт--зш(2 агсзш-)

90 2гс 2гс ^

(14)

где а = АБ = 2 гс

- для ВОПУП:

__и —^-

2

2 £> ;

. / = 1...А- количество ООВ:

к

*1

Ф(а)1Канала-/ Фо= [р/лгссоэ а (4х,^0ли ~ гс)] х (Лсо5а)^|" тс_<1„.11;„_ _____._ 6 ^

(г,- сой а)2 Г я

-— —агтап-

2 [90 :

-5т(2агс51п

2ЛсоБа ] Ь

(15)

Ф(а)2к1ш1ц.д / Фо= 1 - ([р/лгссо5 а (4хо1фм- гс)] х

(Лсош)

х1-

,= 1 ^ (гсС05К)

где Ь = АВ =2 х

7С . О —агсяп-

90 гЛсоБа

-зш(2агсзт

90

- эт(2 агсзш

2Лсс«а 6

Р'

(16)

V

Ь (я . (/сСозсОМЛсю^

/Гс~|г+-25-]

- количество ООВ.

Определено, что расстояние, которое проходят отраженные лучи первого ИК в направлении -2, должно быть равно по абсолютной величине расстоянию, которое проходят отраженные лучи второго ИК в направлении +2. При этом отраженные лучи должны перемещаться в противоположных направлениях: |-г1(| = |+22/|.

Доказано, что дяя реализации дифференциального преобразования оптических сигналов необходимо, чтобы конструктивно-технологические параметры ВОПУП отражательного типа были связаны между собой выражением

П =

эта

5ш2(0щ+а)

соз(®м +2а)

(17)

соБвду «»(©^ + а) Аналогично для ВОПЛП определено:

2[Ус - (*о ~ х,) / гё0л„] >Я > 2[- (дг0 -х,) / (18)

Доказано, что максимальной чувствительности преобразования можно добиться, если

г,= (0Д5...0,75>^. (19)

Выполнение условий (17)—(19) практически достигается юстировкой элементов оптической системы ВОП в процессе сборки (рис. 8).

Проведен анализ отказов ВОД с целью принятия соответствующих мер конструктивно-технологического характера по их исключению. Определено, что во время сборки, аттестации и испытаний наиболее часто встречаются дефекты, обусловленные изгибающими или крутящими воздействиями, проявляющимися в зоне, расположенной в непосредственной близости от зоны измерения, т.е. там, где общий торец волоконно-оптического канала (ВОК) соединен с корпусом ВОД.

Разработаны эффективные технологические процедуры по обеспечению прочности ОВ.

1. Контрольные испытания ОВ в процессе сборки ВОК, которые заключаются в том, что каждый отрезок ОВ подвергается кратковременному воздействию растягивающих нагрузок. Растягивающая нагрузка рассчитывается таким образом, чтобы деформация ОВ не превысила 1 %. Отрезки ОВ, которые разрушились при испытаниях, отбраковываются.

а) б)

Рис. 8. Графическое отображение результатов юстировки оптической системы дифференциального ВОПУП: а - до юстировки; б - после юстировки

2. Применение при изготовлении ВОД специального технологического приспособления, обеспечивающего жесткое крепление обоих концов кабеля относительно корпусов ВОД и блока преобразования информации (БПИ) (рис. 9).

3. Удлинение жесткой части корпуса со стороны кабеля таким образом, чтобы зона заливки клеем оказалась внутри корпуса, не снижая гибкость ОВ в жгуте. В этой зоне ОВ не должны заливаться клеем.

При сборке ВОД необходимо использовать импульсную сварку с применением теп-лоотвода, причем место сварки конструктивно удалить от измерительной зоны.

Элеыекш жесткого креплен вя

Технолопяеоое

□ршпюсоСэоше

Рис. 9. Технологическое приспособление для крепления бухты ВОК в процессе изготовления и испытаний ВОД

Разработана технологическая последовательность изготовления унифицированного ВОК для разрабатываемых ВОПЛП и ВОПУП, обеспечивающая повышенные эксплуатационные и метрологические характеристики ВОД (рис. 10).

а) б)

Рис. 10. Унифицированная конструкция ВОК: а - чертеж заготовки; б - сборочный чертеж

Совершенствование технологии позиционирования ОВ в торцах ВОК позволило в 2 раза снизить аддитивную составляющую основной пофешности (с 0,5 до 0,2 %).

Разработано метрологическое обеспечение изготовления дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП. Для снижения необоснованных затрат на проведение экспериментальных исследований готовых конструкций датчика разработана установка, воспроизводящая угловые перемещения (рис. 11).

Рис. 11. Фотография и схема установки для экспериментального исследования ДВОПУП

Угол задается с помощью системы задания угла, которая обеспечивает угловые отклонения МЭ в обе стороны от вертикального положения. Максимальное угловое перемещение составляет 5°. Чтобы обеспечить начальное расстояние хо, между МЭ и оптическими волокнами устанавливается однозначная мера соответствующего номинала.

Разработана методика экспериментальных исследований дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, в соответствии с которой были определены их оптимальные конструктивные параметры. Экспериментально установлено, что минимальной погрешности линейности можно добиться в диапазоне изменения угла ±3° при следующих параметрах: диаметр сердцевины ОВ - 0,2 мм, внешний

диаметр ОВ - 0,5 мм, расчетные значения МЭ (упругой пластины): ширина - 3 мм, толщина - 0,2 мм, длина - 20 мм, расстояния между оптическими осями ПОВ и ООВ -0,7 мм, расстояния .хо от торца ВОК до отражающих поверхностей МЭ - 1,5 мм.

В четвертой главе разработаны конструктивно-технологические исполнения дифференциальных ВОД отражательного типа для разных физических величин, в которых в качестве измерительных преобразователей используются разработанные в диссертации дифференциальные ВОПУП и ВОПУП (табл. 1).

Разработана конструкторская и технологическая документация ВОД давления, ускорения и деформации отражательного типа, позволяющая перейти к промышленному внедрению результатов работы.

В приложениях приведены программы и результаты расчетов параметров ВОП на ЭВМ, конструкторская и текстовая документация и фотографии экспериментальных образцов ВОД отражательного типа, представляющие отдельные положения диссертации; технологические процессы сборки ВОК и ВОДУ, акгы внедрения результатов диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа обеспечивает создание и совершенствование технологии изготовления перспективных средств измерения: дифферет/иальных ВОД с высокими метрологическими и эксппуатационньши характеристиками для систем инженерно-технических объектов ракетно-космической и авиационной техники.

1. Разработаны базовые унифицированные конструктивно-технологические решения ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, ВОК, позволяющие конструировать новые образцы ВОД различных физических величин отражательного типа для разных диапазонов измерения и разных условий применения.

2. Разработаны новые технологические и конструктивные решения, обеспечивающие улучшение точностных характеристик ВОД на основе дифференциального преобразования светового потока в ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа.

3. Разработаны методика математического моделирования базовых конструктивных и технологических решений ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающая повышение точностных характеристик ВОД, структурные, математические и метрологические модели дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, позволяющие определить источники погрешностей и способы их снижения.

4. Модернизирован способ снижения дополнительной погрешности ВОД отражательного типа, основанный на дифференциальном преобразовании светового потока в оптическом канале ВОПЛП и ВОПУП за счет применения модулирующих отражательных элементов, реализующих дифференциальный алгоритм преобразования оптических сигналов, новых схем компоновки и позиционирования оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле и взаимного расположения элементов оптической системы.

5. Разработаны новые конструктивно-технологические решения дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающие максимальные глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала, простоту юстировки элементов оптической системы, устройства для воспроизведения линейного и углового перемещения и оптического тестера, упрощающие технологическую процедуру настройки и юстировки оптической системы датчика.

6. Разработаны технология позиционирования элементов, технологические процедуры юстировки и регулировки оптических систем дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа.

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

1. Юрова, О. В. Измерительная установка для исследований дифференциальных волоконно-оптических преобразователей углового перемещения / О. В. Юрова,

А. С. Щевелев, С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2011. - № 6. - С. 58-64.

2. Юрова, О. В. 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. - № 8. -С. 39-43.

3. Юрова, О. В. Теоретические исследования волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений отражательного типа / О. В. Юрова, А. В. Архипов, И. Т. Назарова, Т. И. Мурашкина // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2011. № 10,- С. 48-51.

Публикации в других изданиях

4. Юрова, О. В. Волоконно-оптический датчик частоты вращения / О. В. Юрова II Надежность и качество тр. междунар. симп. в 2 т. - Пенза : Информ.-издат. центр ПГУ, 2008. - Т. 1. - С. 524-525.

5. Юрова, О. В. Лабораторный макет и экспериментальные исследования волоконно-оптического датчика частоты вращения. Блок формирования сигналов. Часть I / В. Д. Зуев, О. В. Юрова II Надежность и качество тр. междунар. симп. в 2 т. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. - Т. 1. - С. 232-235.

6. Юрова, О. В. Лабораторный макет и экспериментальные исследования волоконно-оптического датчика частоты вращения. Блок формирования сигналов. Часть II / В. Д. Зуев, О. В. Юрова // Надежность и качество тр. междунар. симп. в 2 т. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. - Т. 1. - С. 230-232.

7. Установка для экспериментальных исследований волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений / О. В. Юрова, Т. И. Мурашкина, М. М. Мы-шева // Надежность и качество тр. междунар. симп. в 2 т. - Пенза : Изд-во ПГУ,

2010.-Т. 2.-С. 143-145.

8. Юрова, О. В. Дифференциальный волоконно-оптический преобразователь угловых перемещений /Е. А. Бадеева, О. В. Юрова, А. С. Щевелев, Ю. Н. Макаров, А. В. Гориш // Современная электроника. - 2010. - № 8. - С. 32-33.

9. Юрова, О. В. Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта / Е. А. Бадеева, С. А. Бростилов, О. В. Юрова // Современная электроника.-2011,-№ 2,- С. 26-27.

10. Предложение к внедрению научных разработок волоконно-оптических датчиков давления, вибрации, ускорения, перемещения, волоконно-оптической системы измерений дискретных значений уровня жидкости рекламный лист НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» / соисп. О. В. Юрова // Современная электроника. - 2011. - № 2.- С. 27.

11. Юрова, О. В. Дифференциальный волоконно-оптический датчик виброускорения. Конструкция и технология / А. С. Щевелев, О. В. Юрова, С. А. Бростилов // Надежность и качество тр. междунар. симп. в 2 т. - Пенза Изд-во ПГУ,

2011.-Т. 2.-С. 235-237.

12. Юрова, О. В. 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.) / под ред. акад. Академии проблем качества РФ А. В. Блинова. - Пенза: ОАО «НИИФИ», 2011. - С. 61-67.

13. Юрова, О. В. Вывод функции преобразования дифференциального волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений / О. В. Юрова, С. А. Бро-стилов, А. С. Щевелев, Т. И. Мурашкина // Датчики и системы сб. докл. XXX науч.-техн. конф. молодых специалистов (30-31 марта 2011 г.) / под ред. акад. Академии проблем качества РФ А.В.Блинова. - Пенза ОАО «НИИФИ», 2011. С. 45-51.

14. Юрова, О. В. Экспериментальные исследования волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений / О. В. Юрова, А. В. Архипов, М. М. Мы-шева, Т. И. Мурашкина // Надежность и качество тр. междунар. симп. в 2 т. -Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 2. - С. 237-240.

15. Юрова, О. В. Измерительная установка для исследования дифференциальных волоконно-оптических преобразователей углового перемещения / О. В. Юрова, И. Т. Назарова, Т. И. Мурашкина // Надежность и качество тр. междунар. симп.

в 2 т. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 2. - С. 295-296.

16. Юрова, О. В. Установка для экспериментального исследования дифференциального волоконно-оптического преобразователя угловых / О. В. Юрова, М. М. Мышева, Т. И. Мурашкина // Проблемы автоматизации и управления в технических системах тр. междунар. техн. конф. (г. Пенза 19-22 апреля) в 2 т. / под ред. д-ра техн. наук, проф. М. А. Щербакова. - Пенза Изд-во ПГУ, 2011. Т. 1. С. 303-306.

17. Юрова, О. В. Метрология, стандартизация и сертификация (для приборостроительных специальностей) метод, указания к курсовой работе / Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Бростилова, О. В. Юрова, А. С. Щевелев. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. 24 с.

18. Юрова, О. В. Теория измерений метод, указания к лаб. работам / Т. И. Мурашкина, О. В. Юрова, А. С. Щевелев, - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - 44 с.

19. Юрова, О. В. ВОД физических величин [Электронный ресурс] / Т. И. Мурашкина, А. С. Щевелев, О. В. Юрова [и др.] // Материалы VI Саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций (г, Саратов 23-25 марта 2011). - Саратов, 2011.-С. 42.

Патенты

20. Пат. 2419765 Российская Федерация, МПК С01 В 21/00. Волоконно-оптический преобразователь углового перемещения / Серебряков Д. И., Мурашкина Т. И., Пивкин А. Г., Юрова О. В. - № 2008134277/28 ; заявл. 20.08.2008 ; опубл. 27.05.2011,Бюл.№ 15.

Научное издание

ЮРОВА Ольга Викторовна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕДУРЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

Подписано в печать 08.11.11. Формат 60x847)6. Усл. печ.л. 1.16. Тираж 100. Заказ № 684.

Издательство ill'У. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33: e-mail: iic@pnzgu.ru

/о

2011249205

61 12-5/2765

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Юрова Ольга Викторовна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО

ТИПА

Специальность 05Л1Л4 - Технология приборостроения

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор,

Мурашкина Т.Н.

Пенза 2012

СОДЕРЖАНИЕ

г

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................5

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ

СПЕЦИАЛЬНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ........................14

1.1 Обоснование выбора предмета исследований..................................................................14

1.2 Новые технологические и конструктивные решения базовых волоконно-оптических преобразователей линейного и углового перемещения отражательного типа...................................................

1.3 Определение влияния конструктивно-технологических параметров оптических систем на метрологические характеристики волоконно-оптических преобразователей линейного и углового перемещения отражательного типа

37

46

48

54 59

1.3.1 Определение математической зависимости преобразования волоконно-оптических преобразователей линейного перемещения при модуляции оптического сигнала зеркально отражающей поверхностью.....................................................................

1.3.2 Определение математической зависимости преобразования волоконно-оптических преобразователей углового перемещения

, при модуляции оптического сигнала зеркально отражающей

поверхностью.....................................................................

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

2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ

И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ...................................................... 61

2.1 Разработка технологических процессов изготовления базовых волоконно-оптических преобразователей линейного и углового перемещения

отражательного типа...................................................

2.1.1 Основные технологические принципы оптимизации параметров волоконно-оптических преобразователей линейного и углового перемещения отражательного типа....................................

61

2.1.2 Исследование и анализ параметров функции преобразования волоконно-оптических преобразователей

линейного и углового перемещения отражательного типа..................... 70

2.1.3 Технологические способы и устройства процедуры юстировки приемо-передающей оптической системы преобразователей

линейного и углового перемещения отражательного типа..................... 78

2.2 Анализ метрологической модели волоконно-оптических преобразователей линейного и углового перемещения

отражательного типа............................:................................................................................93

2.3 Способ снижения дополнительных погрешностей при дифференциальном

преобразовании оптических сигналов..........................................105

Основные выводы и результаты............................................................................................................120

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ И

УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.............................................................. 122

3.1 Определение условий реализации дифференциального преобразования оптических сигналов в волоконно-оптических преобразователях линейного и углового перемещения

отражательного типа.......................................................................... 122

3.2 Технологическая последовательность юстировки оптической системы дифференциальных волоконно-оптических преобразователей линейного и углового перемещения отражательного типа........................... 136

3.3 Обоснование и разработка конструктивно-технологической базы волоконно-оптических преобразователей линейного и углового перемещения отражательного типа.......................................................................... 142

3.4 Метрологическое обеспечение изготовления дифференциальных волоконно-оптических преобразователей линейного и углового перемещения

отражательного ..ТУ) fid........................................................................ 164

Основные результаты и выводы............................................................ 170

4 КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА..................................................................................................................172

4.1 Особенности конструктивно-технологической реализации

и принцип действия дифференциальных волоконно-оптических

179

датчиков давления отражательного типа...................................................1' ^

4.2 Особенности конструктивно-технологической реализации

и принцип действия дифференциальных волоконно-оптических

датчиков ускорения и деформации отражательного типа............................. 187

4.3 Унифицированный промежуточный преобразователь для

дифференциальных волоконно-оптических датчиков................................. 193

Основные выводы и результаты............................................................ 201

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................. 202

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ............................................... 204

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................... 207

ПРИЛОЖЕНИЕ А Программы моделирования распределения светового потоке

пространстве ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа................................ 217

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Программа расчета конструктивных параметров упругого

элемента..........................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ В Фотографии измерительных установок для исследования

ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа................................................. 220

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Технологический процесс сборки волоконно-оптического

999

кабеля............................................................................................. ^

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Технологический процесс сборки дифференциального волоконно-оптического датчика давления

999

отражательного типа...........................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Технологический процесс сборки

г

дифференциального волоконно-оптического датчика ускорений

937

отражательного типа.......................................................................... '

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Акты внедрения результатов диссертации..................... 244

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Создание и внедрение информационно-измерительных приборов (ИИП) нового поколения для отечественных инженерно-технических объектов (ИТО) ракетно-космической, авиационной, машиностроительной, судостроительной и др. отраслей техники требуют разработки и совершенствования технологических процессов и процедур изготовления волоконно-оптических датчиков (ВОД) различных физических величин: давления, перемещения, деформации, ускорений, уровня жидкости и др.

Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы в области их разработок являются сдерживающими факторами широкого внедрения волоконно-оптических информационно-измерительных систем (ВОИИС). Поэтому существует реальная потребность в быстрейшем создании ВОД различных типов, сопрягаемых с разрабатываемыми ВОИИС.

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 обеспечивают чрезвычайно высокий уровень безопасности при эксплуатации в потенциально и9кро- пожаро- и взрывоопасных условиях. Важнейшим достоинством ВОД является невосприимчивость их к высокочастотным и импульсным электромагнитным помехам. Внедрение ВОИИС существенно уменьшает массу и объем измерительных средств и кабельных сетей на ИТО различных отраслей техники.

Научно-технические и технологические предпосылки к решению проблем проектирования и изготовления ВОД созданы как зарубежными, так и отечественными учеными: В. Д. Бурковым, В. И. Бусуриным, М. М. Бутусовым, А. В. Горишем, В. М. Гречишниковым, В. Г. Жилиным, Е. А. Заком, Н. Е. Конюховым, Я. В. Малковым, Т. И. Мурашкиной, А. Л. Пат-лахом, В. Т. Потаповым, Н. П. Удаловым и др. В то же время в известной

научно-технической литературе недостаточно отражены технологические особенности проектирования и изготовления ВОД, эксплуатируемых в специальных условиях ИТО.

Для достижения требуемых метрологических и эксплуатационных характеристик ВОД на первый план выступают технологические вопросы проектирования и изготовления оптических систем измерительных преобразователей. До настоящего времени не разработаны технологические процессы, обеспечивающие эффективную сборку, настройку, регулировку, юстировку оптической системы волоконно-оптических преобразователей линейных (ВОПЛП) и угловых перемещений (ВОПУП), являющихся основными технологическими базовыми элементами ВОД различных физических величин.

Особенности проектирования высокоточных и надежных ВОД для ИТО различных отраслей требуют исключения влияния на результат измерения изгибов оптических волокон и различных внешних влияющих факторов, что можно обеспечить применением дифференциальных методов преобразования оптических сигналов, несущих информацию об измеряемой физической величине. Данное преобразование оптических сигналов необходимо реализовать непосредственно в зоне восприятия измеряемой информации, для чего необходимо разработать новые адекватные конструктивно-технологические решения дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП.

Наибольшее применение получили ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивно-

V и ^ 1

сти светового потока в оптическои системе под действием измеряемой физической величины. Однако для достижения высокой точности и надежности ВОД на основе дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа необходимо разработать соответствующее технологическое обеспечение процессов их проектирования, сборки и изготовления.

Создание новых технологических процессов и средств изготовления

дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа с реализацией теории дифференциального преобразования оптических сигналов в зоне восприятия измерительной информации, обеспечивающих повышение точности и надежности ВОД, является актуальной задачей.

Цель исследований. Целью диссертационной работы является решение научной задачи совершенствования известных и разработка новых технологий производства ВОД повышенной точности и надежности для измерения, контроля и диагностики физических процессов на основе дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа.

Научная задача, решенная в работе, - научное обоснование, разработка новых методов, средств, процедур и технологий изготовления ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для перспективных ИИП ракетно-космической и авиационной техники.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- проведен анализ известных методов и процедур проектирования ВОПЛП и ВОПУП, на основании которого разработана методика математического моделирования базовых решений ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающая проектирование и изготовление ВОД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками;

- разработаны базовые унифицированные конструктивно-технологические элементы и узлы дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП на основе модулирующих отражательных элементов (МОЭ), а также специальные волоконно-оптические кабели (ВОК), отличающиеся схемой позиционирования оптических волокон в рабочих торцах, обеспечивающих дифференциальный алгоритм преобразования оптических сигналов, что существенно уменьшает дополнительные погрешности ВОД отражательного типа для измерения различных физических величин;

- разработаны структурные математические и метрологические модели дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, позволяющие на этапе проектирования определять источники погрешностей и конструктивно-технологическими методами и процедурами уменьшать их до минимально возможных значений;

-разработаны технология позиционирования элементов, технологические процедуры юстировки и регулировки оптических систем дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающие максимальную глубину модуляции и высокую чувствительность преобразования оптического сигнала;

- разработана технологическая последовательность изготовления оптической системы ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающая реализацию дифференциального преобразования оптических сигналов, что повышает точность и надежность ВОД в целом;

-разработаны технологические установки для юстировки, настройки и сборки дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа.

Методы исследований. При проведении исследований использовались методы математического анализа, геометрической оптики, интегрального и дифференциального исчисления, математической физики, численного анализа, имитационного моделирования на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях применялись положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов. Достоверность полученных теоретических результатов и выводов подтверждалась экспериментальными исследованиями созданных образцов ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа.

На защиту выносятся:

1 Научно обоснованные базовые технологические и конструктивные решения оптических систем дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, в которых новый способ позиционирования подводящих и отводящих оптических волокон (ОВ) двух измерительных каналов отно-

сительно друг друга и относительно отражающих поверхностей дифференциального модулирующего элемента, обеспечивает улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик ВОД различных физических величин

2 Методика математического моделирования оптических систем ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, основанная на определении местоположения сечений в полом усеченном конусе светового потока с равномерным распределением освещенности, обеспечивающая компактную математическую модель преобразования измеряемой физической величины в изменение параметров оптического сигнала, определяющая технологическую последовательность изготовления, юстировки и конструктивной оптимизации ВОД.

3 Дифференциальный способ снижения дополнительной погрешности ВОД, основанный на использовании двух оптических измерительных каналов, отличающийся тем, что световой поток в них вводится по двум подводящим оптическим волокнам (ПОВ) от одного источника излучения, а отраженные от двух зеркальных перемещающихся поверхностей одного дифференциального МОЭ световые потоки, интенсивность одного из которых уменьшается, а другого увеличивается при перемещении МОЭ и по отводящим оптическим волокнам (ООВ) первого и второго измерительных каналов направляются на соответствующие приемники излучения.

4 Технологические установки и приспособления, технологические процедуры юстировки, регулировки и сборки элементов оптической системы ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, построенные на основе выведенных математических зависимостей, обеспечивающие реализацию дифференциального преобразования оптических сигналов, повышение чувствительности и линейности преобразования оптических сигналов в зоне восприятия измерительной информации и снижение суммарной погрешности ВОД.

5 Технологическая последовательность изготовления унифициро-

ванного ВОК для дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП, учитывающая новую схему позиционирования оптических волокон в рабочих торцах ВОК, снижающая аддитивную составляющую основной погрешности и дополнительную погрешность, обусловленную изгибами оптических волокон.

Новизна научных результатов заключается в следующем.

1. Разработаны и экспериментально подтверждены технологические и конструктивные решения ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающие при проектировании исключение изгибов оптических волокон и обусловливающие модуляцию интенсивности светового потока за счет механического перемещения элементов оптической системы при воздействии измеряемой физической величины в разрыве волоконно-оптического канала, что обеспечивает их высокую надежность и точность в эксплуатационных условиях.

2. Разработана методика математического моделирования ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, отличающаяся тем, что учитывает особенности и связь предложенной последовательности математических преобразований с конструктивно-технологической оптимизацией ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа на этапе проектирования, это позволяет существенно сократить материальные и временные затраты на изготовление датчиков.

3. Усовершенствован дифференциальный способ преобразо�