автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Технологическое проектирование высокотемпературных волоконно-оптических датчиков давления

На правах рукописи

БРОСТИЛОВ Сергей Александрович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

005538674 21 НОЯ 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2013

005538674

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», в научно-техническом центре «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» кафедры «Приборостроение» и на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры».

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор Мурашкина Татьяна Ивановна

Аверин Игорь Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Нано- и микроэлектроника» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»;

Филонов Олег Михайлович,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Микро- и нанотехнологии аэрокосмического приборостроения» ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет), г. Самара

Защита диссертации состоится 18 декабря 2013 г., в 15.00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.233.01 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, д. 67, ауд. 52-45.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения». Автореферат диссертации размещен на сайте университета: http://guap.ru

Автореферат разослан 15 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета д.т.н., профессор -^¿¿ЬС^ел^ Д. К. Шелест

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшими требованиями, предъявляемыми к современным информационно-измерительным системам ракетно-космической и авиационной техники (РК и АТ), являются повышенная надежность и точность измерений. При этом все чаще встречаются требования абсолютной искро-, взрыво-, пожаробезопасное™, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех. В отличие от традиционных систем волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС) на основе волоконно-оптических датчиков позволяют решить эти задачи.

Сложность разработки и внедрения ВОИИС обусловлена необходимостью разработки и совершенствования технологических процессов и процедур изготовления волоконно-оптических датчиков, снижения их мас-согабаритных характеристик, существенного улучшения метрологических характеристик, обеспечения работоспособности в жестких условиях эксплуатации. Так, до сих пор практически не решены вопросы измерения высокого давления с помощью волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД) при температурах до плюс 500 °С.

В настоящее время наиболее отработаны для серийного изготовления ВОДД отражательного типа, имеющие простые технологию изготовления и конструкцию и не рассчитанные на работу в жестких условиях эксплуатации из-за высоких дополнительных погрешностей, обусловленных изменениями параметров источников и приемников излучения (свето-и фотодиодов), металлических мембран, возможными изгибами оптических волокон. Температурная погрешность при таких высоких температурах может достигать 10 %. Так как оптические волокна в ВОДД отражательного типа устанавливаются относительно мембраны в дальней зоне дифракции (на расстоянии 1... 1,5 мм), то для обеспечения высокой чувствительности преобразования оптического сигнала прогиб мембраны должен быть 50... 150 мкм, что ведет к большой динамической погрешности, а также необходимости применять несколько отводящих оптических волокон и к увеличению массогабаритных характеристик и стоимости ВОДД.

Поэтому создание малогабаритных высокотемпературных ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками на основе совершенствования технологии изготовления является актуальной задачей, решение которой открывает новые возможности для разработки и внедрения искро-, взрыво-, пожаробезопасных и надежных ВОИИС на перспективных образцах РК и АТ.

Использование стеклянной мембраны в этом случае обеспечивает существенное увеличение глубины модуляции оптического сигнала, снижение температурной и динамической погрешностей почти на порядок.

При этом определяющими при создании новых ВОДД являются вопросы технологического характера, так как речь идет о позиционировании и конфигурации оптических элементов (подводящих и отводящих оптических волокон, стеклянной мембраны) относительно друг друга в диапазоне 0...10 мкм в составе базовых волоконно-оптических преобразователей микроперемещений (ВОПМП), являющихся основными элементами ВОДД.

Цель и задача, исследования и разработки. Целью диссертационной работы является совершенствование технологии изготовления и повышение технологичности высокотемпературных волоконно-оптических датчиков давления повышенной точности и надежности.

Научная задача, решенная в работе, - исследование и разработка научно-обоснованных технических решений и технологии изготовления высокотемпературных ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, используемых в ВОИИС ракетно-космической и авиационной техники.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

- провести анализ существующих технологий изготовления ВОДД и обосновать необходимость их совершенствования с точки зрения технологичности ВОДД;

-разработать технологии изготовления базовых ВОПМП, принцип действия которых основан на изменении отражательной способности электромагнитных волн инфракрасного диапазона в области срезанных торцов оптических волокон вблизи модулирующего оптического элемента (МОЭ), включающие технологию позиционирования элементов, технологические процедуры юстировки и регулировки оптических систем ВОПМП, обеспечивающие максимальную глубину модуляции и высокую чувствительность преобразования оптического сигнала;

- вывести функциональную зависимость между выходным и входным сигналами оптической системы, учитывающую особенности конструктивно-технологического исполнения скошенных торцов подводящих (ПОВ) и отводящих (ООВ) оптических волокон, и на основе численного моделирования определить конструктивно-технологические параметры оптической системы, обеспечивающие выполнение условий снижения температурной погрешности, повышения чувствительности преобразования оптического сигнала при одновременном снижении массогабаритных характеристик ВОДД;

- улучшить показатели технологичности высокотемпературного ВОДД, такие как: количество технологических операций при сборке ВОПМП; количество деталей, входящих в узел оптической системы; количество подходов при сборке, юстировке, настройке ВОДД; наличие специальной оснастки и точного оборудования;

-разработать технологии изготовления высокотемпературного ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характе-

ристиками, основными элементами которого являются базовые ВОПМП и унифицированные волоконно-оптические кабели;

- провести экспериментальные исследования лабораторного образца высокотемпературного ВОДД отражательного типа.

Область исследования. Задачи, решенные в диссертации, соответствуют областям исследования специальности 05.11.14 - Технология приборостроения: п. 1 - разработка научных основ технологии приборостроения при создании нового поколения высокотемпературных ВОДД на основе ВОПМП, п. 3 - разработка и исследование методов и средств повышения точности, надежности технологических процессов производства высокотемпературных ВОДД на основе ВОПМП.

Объект исследований - волоконно-оптические преобразователи микроперемещений отражательного типа и высокотемпературные ВОДД на их основе.

Предмет исследований - комплексные научно-технические решения, технологические способы, режимы технологических процессов, обеспечивающие создание волоконно-оптических преобразователей микроперемещений, позволяющие в качестве базовой технологически конструктивной компоненты создавать новые образцы высокотемпературных ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками при создании перспективных изделий РК и АТ.

Методы исследований. При разработке математических и физических моделей ВОДД использовались теоретические положения оптики, аналитической геометрии. При решении задач синтеза и анализа ВОДД использовались положения теории чувствительности, дифференциального и интегрального исчисления, имитационного моделирования, теории надежности. При проведении метрологического анализа использовалась теория статических предельных метрологических моделей линейных измерительных преобразователей. При экспериментальных исследованиях использовались теория измерений, теория планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.

Достоверность результатов, изложенных в работе, подтверждается непротиворечивостью выводов законам физики, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим моделированием, экспериментальными исследованиями, а также созданием и испытаниями действующих макетных образцов ВОДД.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами:

1. Новые технические и технологические решения высокотемпературных ВОДД основаны на использовании ВОПМП отражательного типа, принцип действия которых заключается в изменении отражательной способности для электромагнитных волн инфракрасного диапазона в области срезанных торцов оптических волокон, расположенных вблизи МОЭ

(кварцевой мембраны), что обеспечивает улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик ВОДД.

2. Технология позиционирования ПОВ и ООВ в зоне измерения, учитывающая особенности формы поверхностей среза, каждая из которых является частью эллипса, а также требуемое расстояние до мембраны, равное 10... 15 длинам волн оптического излучения, что обеспечивает увеличение мощности сигнала, а также снижение требований к технологическому процессу сборки датчика.

3. Технология изготовления высокотемпературного ВОДД отличается тем, что реализована на основе нового базового ВОПМП отражательного типа, представляющего собой конструктивную совокупность МОЭ и узла соединения скошенных торцов ПОВ и ООВ, расположенных относительно друг друга на расстоянии, равном 10... 15 длинам волн оптического излучения инфракрасного источника излучения, что позволило снизить основную погрешность ВОДД в 2...3 раза.

4. Впервые получена функциональная зависимость между выходными и входными сигналами оптической системы высокотемпературного ВОПМП отражательного типа, которая позволила на основе численного моделирования определить конструктивно-технологические параметры оптической системы, обеспечивающие снижение температурной погрешности, повышение чувствительности преобразования оптического сигнала при одновременном повышении технологичности и снижении массогаба-ритных характеристик ВОДД.

Практическая значимость работы подтверждается следующим:

- разработана технология изготовления высокотемпературных ВОДД, обеспечивающая повышение их технологичности, точности и надежности в жестких условиях эксплуатации;

-основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке высокотемпературных ВОДД в диапазонах 0... 12,26, 0.. .29,43 МПа: шифр ВОД Д ТЭ-001;

- результаты, полученные в диссертационной работе, позволяют повысить искро-, взрыво-, пожаробезопасность и надежность ВОИИС перспективных образцов РК и АТ.

Практическая значимость исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационных исследований в НТЦ «НАНО-ТЕХ» ПТУ и ОАО «Контрольприбор» г. Пенза.

Апробация работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ПТУ (Пенза, 2008), на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013), на Международных научно-технических конференциях «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» «Шляндинские чтения» (Пенза, 2010, 2012), на Международ-

6

ной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011), IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2009), II, III, IV Российских форумах «Российским инновациям - российский капитал» и VII, VIII и IX ярмарках бизнес-ангелов и инноваторов (Саранск, 2009; Ижевск, 2010; Оренбург, 2011), Всероссийской научно-технической конференции «Волоконно-оптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении» «СВЕТ-2013» (Пенза, 2013).

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 28 работах, из них шесть статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, один патент на изобретение. Без соавторов опубликовано три работы.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, библиографического списка, шести приложений. Основная часть изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 10 таблиц. Список литературы содержит 94 наименования. Приложения к диссертации занимают 20 страниц.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Научно-обоснованные новые технологические решения высокотемпературных ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками на основе базовых ВОПМП отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении отражательной способности электромагнитных волн инфракрасного диапазона в области срезанных торцов оптических волокон, расположенных вблизи оптического модулирующего элемента.

2. Технология позиционирования подводящих и отводящих оптических волокон, торцы которых скошены под расчетным углом, относительно друг друга и относительно оптического модулирующего элемента на расстоянии, равном 10... 15 длинам волны инфракрасного оптического излучения источника излучения, отвечающая установленным критериям технологичности конструкции ВОДД.

3. Технология изготовления высокотемпературных ВОДД, отличающаяся использованием в качестве модулирующего элемента мембраны из кварцевого стекла и оригинальной последовательностью технологических операций позиционирования деталей, узлов при сборке ВОДД, обеспечивающая снижение массогабаритных характеристик, снижение основной погрешности ВОДД в 2 раза и отвечающая установленным критериям технологичности конструкции ВОДД.

4. Функциональная зависимость между выходными и входными сигналами оптической системы высокотемпературного ВОДД, учитывающая особенности распределения светового потока в ближней зоне дифракции и конструктивно-технологического исполнения скошенных торцов подводящих и отводящих оптических волокон, сформированных под расчетным углом.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен анализ и выявлены особенности существующих ВОДД и технологии их изготовления, которые показали, что в настоящее время требуются усовершенствованные технологии ВОДД с существенно улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Сделан вывод, что на основе известных технических решений можно снизить температурную погрешность на порядок по сравнению с ВОДД с металлическими мембранами, создать ВОДД, работоспособные при высоких температурах (до плюс 500 °С), и улучшить другие технические характеристики ВОДД.

Известные ВОДД на основе ВОПМП отражательного типа не рассчитаны на работу в жестких условиях РК и АТ, имеют ряд недостатков конструктивно-технологического характера, так как не учитывают особенности распространения светового потока в зоне преобразования измерительной информации, особенности позиционирования отдельных элементов оптической системы и имеют практически сложно реализуемые узлы стыковки ОВ с модулирующей поверхностью.

Специфику выбора предмета исследований определяют требования уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на летательных аппаратах, абсолютной искро-, взрыво-, пожаробезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех, механических факторов, перепадов температур, характерных для изделий РК и АТ, повышения технологичности конструкции ВОДД.

Во второй главе разработаны ВОПМП, являющиеся базовым элементом ВОДД, принцип действия которых основан на изменении отражательной способности для электромагнитных волн инфракрасного излучения в области срезанных торцов ПОВ и ООВ вблизи МОЭ и изменении интенсивности оптического сигнала под действием измеряемой физической величины.

Выполнено математическое моделирование по определению гонст-руктивных параметров ВОПМП, таких как расстояние от скошеннык торцов ОВ до модулирующего оптического элемента, угол, под которым оптические волокна установлены относительно оптической оси волоконно-оптического преобразователя и срезана излучающая поверхность ПОВ и приемная поверхность ООВ, обеспечивающих эффективный ввод излучения из ПОВ в ООВ, линейную функцию преобразования Ф Ф0, а), высокую чувствительность преобразования, максимальную глубину иоду-

ляции оптического сигнала, равномерное распределение освещенности в плоскости расположения торцов ООВ, минимальные габаритные размеры ВОПМП.

Для вывода функции преобразования ВОПМП построен ход лучей в ВОПМП на плоскости (рис. 1).

4 У

Рис. 1. Геометрическое построение для вывода функции преобразования ВОПМП: Ф0- световой поток, поступающий по ПОВ; Ф - световой поток, проходящий по ООВ; ПОВ - подводящее оптическое волокно; ООВ - отводящее оптическое волокно;

£> - диаметр мембраны - модулирующего элемента; /г - толщина мембраны; Ъ\ - расстояние от мембраны до плоскости; П — соединение волокон; IV- прогиб мембраны под действием давления Р; а - угол, под которым ОВ установлены относительно оптической оси волоконно-оптического преобразователя

Введена система координат ОХУ, в которой точки имеют координаты:

- на плоскости ПОВ: М(Хм, 0), где - Хтак < Хн < 0;

- на поверхности мембраны:

пу) и удовлетворяют уравнению п2 + (пу -Л,)2 = Ж2;

- на плоскости ООВ: М (Хи\ 0), где 0 <Х' <Хтт где Хп

Бт(а)

Построены лучи МЫ и ЖГ. Координаты точки М(Хм_0), где Хтт<Хи< 0. Уравнение луча МЫ\ у = ^(6т - а) • X - Хм • - а),

- о)) -направляющий вектор луча ММ, еш\\МЫ.

Х' = пх-пу- 2,

Координаты точки И(п„ пу), Ы-МЫпПм,гд.е координаты точки Щпх, пу) находятся в точке пересечения прямой МИ и поверхности мембраны Пм.

Определено

Щ + хл/'С^Свди-а)

где «у рассчитывается из уравнения

+ - Д2)<*ё2(ем -а)иу + С1ё2(0ш -а) = 0

при

Найден направляющий вектор луча ЛМ':

Г С2_

Найдены координаты точки МЧЛ", 0), принадлежащей плоскости ООВ:

где X' = у(Х), где X принадлежит плоскости ПОВ, X' принадлежит плоскости ООВ:

Гсо,при 0<Х'<Хтая

^) = {о,при Хе[0-,Хтж] '

где ю - масштабный коэффициент, показывающий, какая часть исходного светового потока из точки Л'достигла точки X'.

Функция преобразования ВОПМП имеет вид

у

шах

Ф = /(Ж,Ф0Д,а)= | у{Х)<&.

о

Для определения конструктивно-технологических параметров оптической системы ВОПМП проведено численное математическое моделирование в среде МаЛСАБ. В качестве исходных данных для численного моделирования были выбраны диаметр сердцевины оптического волокна ¿4, диаметр оболочки оптического волокна с1т значение апертурного угла 0МЛ, расстояние к\ от мембраны до плоскости рабочих торцов ПОВ и ООВ, угол а, под которым оптические волокна установлены относительно оптическои

оси ВОПМП.

Основные результаты математического моделирования при ас - ¿ии мкм, с10 = 0,5 мм, 8м4= 12 град, когда расстояние Ь\ изменяли в пределах значений 5'.. .15 мкм, а угол а - в пределах 45.. .75 град, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты математического моделирования

Задаваемые значения параметров

км

а, град

Функция преобразования

Форма поверхности срезанных волокон в плоскости П

60

Ыеш Хэдх.Г,Ьх

ОЗСО ¿оУушо

/0.400 0200

€

Ш|

73

0.200 ТЗ^ЛОбОО 180 Л.400 0.200 Ш

> N ___ _____

4.000 8.000 Т

10

60

10

73

0.800

{„ .. бОтЛадю

т1еп! лтах(1 ,Ьх,-

к I8" /0.400

8.000

{

мкм

0500

| т!«г|х

»80 А1.400

0200 0,

—

N

1 N

€

мкм

15

73

шгея^ХтахД

------------ \

Примечание: / = ¡V- прогиб мембраны под действием давления Л

11

Для рассмотренного частного случая окончательно выбраны параметры: /?, = 0,05 4= 10 мкм, а = 73 град, обеспечивающие улучшение метрологических характеристик ВОПМП.

В третьей главе разработаны конструктивно-технологические решения ВОДД на базе разработанных ВОПМП и унифицированных волоконно-оптических кабелей. ВОДД содержит мембранный блок 1, в который входят мембрана 2 и несущая ее деталь 3, блок оптических волокон 4, где расположены ПОВ 5 и ООВ б, «подушка» 7, крышка 8, втулка 9, штуцер 10 и корпус 11, соединенные сваркой 12 (рис. 2).

а 3 б К- Л

; , . . —--..:.. _—............... „

; • — , ч -ч ,

»• -4 А

А-А

эл

Рис. 2. Конструкция и фото разработанного ВОДД: 1 - блок мембранный; 2 - мембрана; 3 - несущая деталь мембранного блока;

4 - блок оптических волокон; 5 и 6 - подводящие и отводящие оптические волокна;

7 - «подушка»; 8 - крышка; 9 - втулка; 10 - штуцер; 11 - корпус

Концы ПОВ 5 и ООВ б, расположенные в зоне измерения, срезаны под некоторым углом © (рис. 3), определяемым выражением

агсэт (п2/п{) <&< агскт (п3/п{), 0)

где пи п2, /ь - коэффициенты преломления сердцевины оптического волокна,' среды между мембраной и оптическими волокнами, мембраны соответственно. Другие концы ПОВ 5 и ООВ б подстыковываются к источ-

12

нику и приемнику излучения соответственно. «Подушка» 7 представляет собой деталь треугольной формы с углом при вершине, равным 20, с углублением, повторяющим форму оптического волокна, глубина и ширина углубления соответствуют внешним размерам оптического волокна. Длина основания треугольника в сечении А-А равна b-d0R. Для исключения поломов оптических волокон угол при вершине закруглен по радиусу:

R=-

I ^ов tg®

(2)

Несущая деталь 3 имеет две полости, соединенные отверстием меньшим диаметром, чем диаметры полостей, причем высота Н полости, в которой жестко закреплена мембрана 2, определяется выражением

Я = Ам+(1...10)1, (3)

где - толщина мембраны; X - длина волны светового потока.

В полость штуцера 10 меньшего размера на кольцевой выступ установлен мембранный блок 1 таким образом, чтобы мембрана 2 была обращена к блоку оптических волокон.

Разработан технологический процесс изготовления и сборки ВОДД, включающий технологический процесс изготовления блока мембранного, ВОК, блока оптических волокон (см. рис. 3).

А-А - плоскость среза и полиробки оптического б,

а)

Е

тш

Б-Б - плоскость среза и полиробки

5) г)

Рис. 3. Последовательность сборки блока оптических волокон

На первом этапе осуществляется сборка блока оптических волокон. Для этого разработана технология формирования скошенных торцов. Оптические волокна 5 и 6 временно неподвижно закрепляются в металлические наконечники 15, после чего срезаются под расчетным углом © и полируются по сечению А-А, затем наконечники удаляются (см. рис. 3,а).

Разработана технология позиционирования подводящих и отводящих оптических волокон относительно друг друга и относительно оптического

модулирующего элемента.

Концы двух оптических волокон 5 и 6 вклеиваются в металлическую втулку 9 из стали 29НК на расстоянии b таким образом, чтобы их свободные концы выступали над поверхностью пластины на высоту I, определяемую из выражения / = |R + ~ (см- Рис- Далее оп™ческие волок"

на 5 и 6 укладываются на «подушку» 7 под радиусом R > 5...10c/OB. Для обеспечения точной сборки допуск на размер R должен быть положительным. Оптические волокна сверху прижимаются металлической крышкой 8, которая с помощью сварки скрепляется со втулкой 9. Крышка 8 по центру имеет сквозное отверстие шириной, равной диаметру оптического волокна, и длиной а = 2#tg0, где Н « d0в. Свободное пространство под крышкой заполняется высокотемпературным клеящим составом, например ситалло-цементом (рис. 3,г). Часть оптических волокон, которая оказалась выше крышки на величину Я, срезается вдоль поверхности Б-Б и полируется (см. рис. 3,г).

На втором этапе осуществляется сборка мембранного блока.

Мембрана 2 жестко закрепляется в мембранном блоке с помощью стеклокристаллического цемента, что обеспечивает высокую прочность спая во всем интервале рабочих температур (см. рис. 2). Необходимый зазор h задается в мембранном блоке с помощью углубления, высота которого определяется выражением (3) и при необходимости доводится до требуемого значения с помощью полировки. Марки стеклокристаллического цемента, металла, кварцевой мембраны выбираются исходя из близости значений температурного коэффициента линейного расширения (TKJIP).

На третьем этапе осуществляется сборка ВОДД по вновь разработанной технологии. Мембранный блок 2 вставляется в штуцер 10, а блок оптических волокон устанавливается в корпусе 11. Штуцер и корпус между собой жестко соединяются с помощью импульсной сварки. Для обеспечения жесткости и герметичности конструкции внутренняя полость корпуса залита герметиком.

Разработанные технологии изготовления ВОДД позволили улучшить (в 1,5...2 раза) следующие показатели технологичности: количество технологических операций при сборке ВОПМП; количество деталей, входящих в узел оптической системы; количество подходов при сборке, юстировке, настройке ВОДД; наличие специальной оснастки и точного оборудования.

В четвертой главе на основе теории статических предельных метрологических моделей линейных измерительных преобразователей проведен метрологический анализ разработанного ВОДД для определения источников возможных погрешностей и разработки технологических способов их снижения. В соответствии с метрологической структурной моделью высокотемпературного ВОДД, приведенной на рис. 4, реальная функция преобразования датчика будет иметь следующий вид: /р = 5Моэ(1 + 55моэ) 5ИИ(1 + 85Ш1)[(Д, + /ГПОв)(1 + 5/ГПов)]х

х [(Д2 + Д3 + Д4+ Дмоэ + Алмоэ+^оов)(1 + ЬКоов)] (4)

[(1 + 6Т1(Ь)] х [(Д5+ Д6+ 5ПИ) (1 + 55ПИ)]Л

где Д] - погрешность юстировки ИИ относительно ПОВ; Д2, Д4 - погрешности из-за неточности начальной установки ПОВ и ООВ относительно МОЭ; Д3 - погрешность из-за неточности юстировки ПОВ и ООВ относительно друг друга; Дмоэ - погрешность из-за неточности изготовления посадочного места под МОЭ; Д5 - погрешность юстировки ООВ относительно ПИ; Д6 -погрешности спектрального согласования ИИ и ПИ; Ддмоэ - погрешность линейности функции преобразования модулирующего элемента (мембраны); 5£МОэ - погрешность чувствительности МОЭ, обусловленная изменением ее параметров при изменении температуры окружающей среды, механических воздействий и т.п.; &КП0В, 8Коои - погрешности, обусловленные изменением светопропускания ПОВ и ООВ при изгибах ВОК, механических воздействий и т.п.; 85ии - погрешность, обусловленная изменением мощности и диаграммы излучения ИИ при изменении температуры окружающей среды, напряжения питания; 55Пи - погрешность от изменения интегральной токовой чувствительности ПИ при изменении температуры окружающей среды, напряжения питания и т.п.; 5т](Х) - погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ при изменении температуры.

д]+Л1+л,+дмо,+д,

Рис. 4. Метрологическая структурная модель ВОДД 15

Основные источники погрешностей - неточность юстировки ПОВ и ООВ относительно источников и приемников излучения, относительно дпуг друга и относительно МОЭ, изменение светопропускания ПОВ и ООВ при изгибах ВОК, воздействии ударов, вибрации, линейного ускорения Погрешности Д2) Д3, Л*, ЛМОЭ, ДЛМОЭ снижаются в процессе сборки датчика точной технологической юстировкой элементов оптическом системы. Многие погрешности носят систематический характер, поэтому могут быть учтены при обработке результатов измерений.

Разработана методика проведения экспериментальных исследовании ВОПМП с использованием разработанной измерительной установки со специально разработанным оптическим тестером.

На рис. 5 приведены результаты экспериментальных исследовании ВОПМП в виде графика зависимостей мощности Рзксп - ЛЮ ПРИ перемещении МОЭ относительно ОВ.

-*~Ь1=б мкм И! -7 мкм "')<"" Ь1=8мкм .....М1-10мкм

9 10 И

И/,ллкм

Рис. 5. Зависимость мощности Ржсп =ЛЮ при перемещении МОЭ относительно оптических волокон ВОПМП

Проведены экспериментальные исследования макетных образцов ВОДД, результаты которых подтвердили теоретические и расчетные положения диссертации.

В заключении отмечается, что в работе изложены научно обоснованные новые технологические решения ВОПМП отражательного типа и ВОДД на их основе для искро-, взрыво-, пожаробезопасных ВОИИС, в том числе и для сложных изделий ракетно-космической и авиационнои техники.

В приложениях приведены программы и результаты расчетов параметров ВОПМП и ВОДД на ЭВМ, технологическая и конструкторская документация, фотографии экспериментального образца ВОДД, патент на изобретение, акты внедрения результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В работе изложены научно обоснованные новые технологические решения высокотемпературных ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками на основе базовых ВОПМП отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении отражательной способности для электромагнитных волн инфракрасного диапазона в области срезанных торцов оптических волокон, расположенных вблизи оптического модулирующего элемента для перспективных изделий ракетно-космической и авиационной техники.

2. Разработаны технология формирования скошенных торцов подводящих и отводящих оптических волокон под расчетным углом и технология их позиционирования относительно друг друга и относительно оптического модулирующего элемента на расстоянии, равном 10... 15 длинам волн оптического излучения инфракрасного источника излучения, отвечающая установленным показателям технологичности конструкции.

3. Разработаны технологии изготовления базовых ВОПМП, включающие технологию позиционирования элементов, технологические процедуры юстировки и регулировки оптических систем ВОПМП, обеспечивающие максимальную глубину модуляции и высокую чувствительность преобразования оптического сигнала.

4. На основе выведенной функциональной зависимости между выходными и входными сигналами оптической системы высокотемпературного ВОДД и проведенного численного моделирования в среде МаЛСАО определены конструктивно-технологические параметры ВОПМП, обеспечивающие выполнение условий снижения температурной погрешности, повышения чувствительности преобразования оптического сигнала при одновременном улучшении технологичности и снижении массогабаритных характеристик ВОДД.

5. Улучшены показатели технологичности высокотемпературного ВОДД: количество технологических операций при сборке ВОПМП; количество деталей, входящих в узел оптической системы; количество подходов при сборке, юстировке, настройке ВОДД; наличие специальной оснастки и точного оборудования (в 1,5...2 раза по сравнению с аналогами).

6. Разработана технология изготовления высокотемпературных ВОДД на основе базовых ВОПМП и унифицированных волоконно-оптических кабелей с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающая снижение массогабаритных характеристик и отвечающая установленным показателям технологичности конструкции.

7. На основе полученных обобщений и проведенных теоретических исследований разработаны и изготовлены макетные образцы ВОДД отражательного типа. Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей макетных образцов подтвердили теоретические положения диссертации.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Бростилов, С. А. Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта / С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Бро-стилова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.-2010. - №4.-С. 106-117.

1. Бростилов, С. А. Технологические основы проектирования волоконно-оптического датчика ускорения / С. А. Бростилов, А. С. Щевелев, О. В. Юрова, Т. И. Мурашкина, А. В. Архипов // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2011. - № 8. - С. 39-43.

3. Бростилов, С. А. Особенности конструктивного исполнения волоконно-оптического преобразователя микроперемещений / С. А. Бростилов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - Спец. вып. № 2. - С. 27-32.

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

5. Бростилов, С. А. Распространение света в искривленном многомо-довом оптическом волноводе / С. А. Бростилов, С. И. Торгашин, Н. К. Юрков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.-2012,-№ 1.-С. 141-150.

6 Бростилов, С. А. Перспективы использования волоконно-оптических датчиков давления для систем контроля и испытаний космической и авиационной техники / Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин, С. А. Бростилов // Математическое моделирование в машино- и приборостроении : сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2013. - Спец. вып. № 10. - С. 55-66.

Патенты

7. Пат. 2474798 РФ, МПК6 G01L 11/02. Волоконно-оптический датчик давления / Мурашкина Т. И., Бростилов С. А., Пивкин А. Г., Серебряков Д. И., Бростилова Т. Ю., Бадеева Е. А. ; опубл. 10.02.2013, Бюл. № 4.

Публикации в других изданиях

8. Бростилов, С. А. Преобразователь сигналов для волоконно-оптических датчиков / Д. И. Серебряков, Ю. Н. Макаров, В. В. Редько, С. А. Бростилов // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. - Т. 1. - С. 453-456.

9. Бростилов, С. А. Модернизация ВОДЦ на основе туннельного эффекта / С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин, О. С. Граевский // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. -Т. 1.-С. 395-398.

10. Бростилов, С. А. Универсальные конструктивно-технологические решения волоконно-оптического кабеля для датчиков с открытым оптическим каналом / С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Бростилова, А. С. Щевелев // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации «Шляндинские чтения-2010» : сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - С. 200-202.

11. Бростилов, С. А. Технологический процесс сборки измерительного преобразователя датчика давления на основе оптического туннельного эффекта / С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Бростилова, Е. А. Бадеева // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации «Шляндинские чтения-2010» : сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. - С. 167-170.

12. Бростилов, С. А. Метрологический анализ ВОДЦ на основе туннельного эффекта / С. А. Бростилов, Т. Ю. Бростилова, Т. И. Мурашкина, О. В. Юрова // Проблемы автоматизации и управления в технических системах - 2011 : сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011.-Т. 2.-С. 27-31.

13. Бростилов, С. А. Технологический процесс сборки волоконно-оптиче-ского датчика давления на основе оптического туннельного эффекта / С. А. Бростилов, Т. Ю. Бростилова, О. В. Юрова // Проблемы автоматизации и управления в технических системах - 2011 : сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 2. - С. 32-35.

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

15. Бростилов, С. А. Метрологическая модель ВОДЦ с компенсационным каналом на основе туннельного эффекта / С. А. Бростилов // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС : межвуз. сб. науч. тр. -Пенза : Изд-во ПГУ, 2011.-Вып.16.-С. 194-202.

16. Бростилов, С. А. Волоконно-оптические кабели для волоконно-оптических датчиков / С. А. Бросталов, Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Бростилова, А. Ю. Удалов, А. В. Архипов // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 2. - С. 108-111.

17. Бростилов, С. А. Математическое моделирование процессов отражения и распространения электромагнитных волн в тонкой градиентной диэлектрической пластине / С. А. Бростилов, Е. В. Кучумов // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 1. -С. 281-283.

18. Бростилов, С. А. Дифференциальный волоконно-оптический датчик виброускорения. Конструкция и технология / С. А. Бростилов, О. В. Юрова, А. С. Щевелев // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 1. - С. 235-237.

19. Бростилов, С. А. 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. А. В. Блинова. - Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011. - С. 61-67.

20. Бростилов, С. А. Вывод функции преобразования дифференциального волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений / О. В. Юрова, С. А. Бростилов, А. С. Щевелев, Т. И. Мурашкина // Датчики и системы : сб. докл. XXX науч.-техн. конф. молодых специалистов / под ред. А. В. Блинова. - Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011. - С. 45-51.

21. Бростилов, С. А. Анализ эффектов нарушений полного внутреннего отражения в оптических волноводах с целью применения их в измерительном процессе / С. А. Бростилов, Д. И. Серебряков, Е. В. Кучумов, Т. И. Мурашкина // Методика, техника и аппаратура внутренних и внешних испытаний «ИСПЫТАНИЯ-2011» : сб. тр. Всерос. науч. шк. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - С. 24-29.

22. Бростилов, С. А. Методика выполнения испытаний по определению функции преобразования и основной погрешности ВОДД на основе туннельного эффекта / С. А. Бростилов, Т. Ю. Бростилова, Т. И. Мурашкина // Методика, техника и аппаратура внутренних и внешних испытаний «ИСПЫТАНИЯ-2011» : сб. тр. Всерос. науч. шк. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011.-С. 75-77.

23. Бростилов, С. А. Методика выполнения температурных испытаний ВОДД на основе туннельного эффекта / Т. Ю. Бростилова, О. В. Юрова, С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, А. В. Бадеев // Методика, техника и аппаратура внутренних и внешних испытаний «ИСПЫТАНИЯ-2011» : сб. тр. Всерос. науч. шк. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - С. 86-89.

24. Бростилов, С. А. Методика расчета конструктивных параметров оптической системы разрабатываемого волоконно-оптического преобразователя давления / Т. Ю. Бростилова, С. А. Бростилов // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. — Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. — Т. 2. — С. 43-44.

25. Бростилов, С. А. Анализ влияния на метрологические характеристики волоконно-оптического датчика давления распределения свето-

вого потока в зоне преобразования оптических сигналов / Т. Ю. Бростилова, С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина И Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС : тр. межвуз. сб. - Пенза : Изд-во ПТУ,

2012.-С. 76-84.

26. Бростилов, С. А. Унифицированный промежуточный преобразователь для дифференциальных волоконно-оптических датчиков / Т. Ю. Бростилова, С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза : Изд-во ПТУ, 2012. - Т. 2. -С. 42-43.

27. Бростилов, С. А. К вопросу о создании и внедрении волоконно-оптических систем и датчиков давления на изделиях ракетно-космической и авиационной техники / Т. Ю. Бростилова, С. А. Бростилов // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС : тр. межвуз. сб. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - С. 23-28.

28. Бростилов, С. А. Варианты исполнения волоконно-оптических преобразователей микроперемещений отражательного типа / С. А. Бростилов // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - Пенза : Изд-во ПГУ,

2013.-Т. 2.-С. 13.

Научное издание

БРОСТИЛОВ Сергей Александрович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.11.14-Технология приборостроения

Редактор В. В. Чувашова Технический редактор Р. Б. Бердникова Компьютерная верстка Р. Б. Бердниковой

Подписано в печать 08.11.2013. Формат 60x84'/i6. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 008376. Тираж 100.

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

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ

ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

На правах рукописи

Бростилов Сергей Александрович

04201451935

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор,

Мурашкина Т.И.

ПЕНЗА 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение........................................................................................................... 5

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПРЕДМЕТА ИССЛЕДОВАНИЙ 12

1.1 Анализ состояния вопроса создания и внедрения волоконно-оптических систем и датчиков давления на изделиях ракетно-космической и авиационной техники........................................................ 12

1.2 Искро-взрыво-пожаробезопасность волоконно-оптических информационно-измерительных систем и систем управления............ 19

1.3 Анализ существующих волоконно-оптических датчиков давления и

технологии их изготовления................................................................................................................26

Основные выводы и результаты.................................................. 44

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ............................. 45

2.1 Математическая формализация процесса распространения светового потока в волоконно-оптическом преобразователе микроперемещения отражательного типа................................................................ 45

2.2 Обоснование выбора физической реализации волоконно-оптических преобразователей микроперемещений отражательного типа..................................................................................... 54

2.3 Численное математическое моделирование конструктивно-технологических параметров волоконно-оптического преобразователя

микроперемещений отражательного тип........................................ 59

Основные выводы и результаты.................................................. 68

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ..................... 69

3.1 Конструктивно-технологические особенности изготовления волоконно-оптического датчика давления на основе разработки волоконно-оптического преобразователя микроперемещений............ 69

3.2 Принцип действия и функция преобразования волоконно-оптического датчика давления на основе волоконно-оптического преобразователя микроперемещений отражательного типа............... 77

3.3 Методика расчета конструктивных параметров отдельных узлов волоконно-оптического датчика давления на основе волоконно-оптического преобразователя микроперемещений отражательного типа ........................................................................................... 84

3.4 Выбор элементной базы высокотемпературных волоконно-

оптических датчиков давления отражательного типа........................... 86

Основные выводы и результаты.................................................. 93

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ............................................................

4.1 Метрологический анализ высокотемпературного волоконно-оптического датчика давления.................................................... 94

4.2 Описание измерительной установки для сборки, юстировки и исследования волоконно-оптических датчиков давления................. 103

4.3 Экспериментальные исследования волоконно-оптического датчика

давления на основе ВОПМП................................................................. 108

Основные выводы и результаты................................................ 115

Заключение.......................................................................... 116

Перечень принятых сокращений................................................ 118

Библиографический список...................................................... 120

ПРИЛОЖЕНИЕ А Технические характеристики зарубежных

и отечественных датчиков давления.......................................... 131

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Программы моделирования распределения светового потока в пространстве ВОП микроперемещения............................. 137

ПРИЛОЖЕНИЕ В Патент РФ................................................... 137

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Фотографии и сборочный чертеж макетного образца

ВОДД отражательного типа..................................................... 140

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Методики испытаний на воздействие повышенной

температуры окружающей среды............................................... 145

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Акты внедрения результатов диссертации........... 149

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к современным информационно-измерительным системам ракетно-космической и авиационной техники (РК и АТ), являются повышенная надежность и точность измерений. При этом все чаще встречаются требования абсолютной искро-, взрыво-, пожаробезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех. В отличие от традиционных систем волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС) на основе волоконно-оптических датчиков позволяют решить эти задачи.

Сложность разработки и внедрения ВОИИС обусловлена необходимостью разработки и совершенствования технологических процессов и процедур изготовления волоконно-оптических датчиков, снижения их массогабаритных характеристик, существенного улучшения метрологических характеристик, обеспечения работоспособности в жестких условиях эксплуатации. Так, до сих пор практически не решены вопросы измерения высокого давления с помощью волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД) при температурах до плюс 500 °С.

В настоящее время наиболее отработаны для серийного изготовления ВОДД отражательного типа, имеющие простые технологию изготовления и конструкцию и не рассчитанные на работу в жестких условиях эксплуатации из-за высоких дополнительных погрешностей, обусловленных изменениями параметров источников и приемников излучения (свето- и фотодиодов), металлических мембран, возможными изгибами оптических волокон. Температурная погрешность при таких высоких температурах может достигать 10 %. Так как оптические волокна в ВОДД отражательного типа устанавливаются относительно мембраны в дальней зоне дифракции (на расстоянии 1...1,5 мм), то для обеспечения высокой чувствительности преобразования оптического сигнала прогиб мембраны должен быть 50... 150

мкм, что ведет к большой динамической погрешности, а также необходимости применять несколько отводящих оптических волокон, что ведет к увеличению массогабаритных характеристик и стоимости ВОДД.

Поэтому создание малогабаритных высокотемпературных ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками на основе совершенствования технологии изготовления является актуальной задачей, решение которой открывает новые возможности для разработки и внедрения искро-, взрыво-. пожаробезопасных и надежных ВОИИС на перспективных образцах РК и АТ.

Использование стеклянной мембраны в этом случае обеспечивает существенное увеличение глубины модуляции оптического сигнала, снижение температурной и динамической погрешностей почти на порядок.

При этом определяющими при создании новых ВОДД являются вопросы технологического характера, так как речь идет о позиционировании и конфигурации оптических элементов (подводящих и отводящих оптических волокон, стеклянной мембраны) относительно друг друга в диапазоне 0...10 мкм в составе базовых волоконно-оптических преобразователей микроперемещений (ВОПМП), являющихся основными элементами ВОДД.

Цель и задача, исследования и разработки. Целью диссертационной работы является совершенствование технологии изготовления и повышение технологичности высокотемпературных волоконно-оптических датчиков давления повышенной точности и надежности.

Научная задача, решенная в работе, - исследование и разработка научно-обоснованных технических решений и технологии изготовления высокотемпературных ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, используемых в ВОИИС ракетно-космической и авиационной техники.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

- провести анализ существующих технологий изготовления ВОДД и обосновать необходимость их совершенствования с точки зрения технологичности ВОДД;

- разработать технологии изготовления базовых ВОПМП, принцип действия которых основан на изменении отражательной способности электромагнитных волн инфракрасного диапазона в области срезанных торцов оптических волокон вблизи модулирующего оптического элемента (МОЭ), включающие технологию позиционирования элементов, технологические процедуры юстировки и регулировки оптических систем ВОПМП, обеспечивающие максимальную глубину модуляции и высокую чувствительность преобразования оптического сигнала;

- вывести функциональную зависимость между выходным и входным сигналами оптической системы, учитывающую особенности конструктивно-технологического исполнения скошенных торцов подводящих (ПОВ) и отводящих (ООВ) оптических волокон, и на основе численного моделирования определить конструктивно-технологические параметры оптической системы, обеспечивающие выполнение условий снижения температурной погрешности, повышения чувствительности преобразования оптического сигнала при одновременном снижении массогабаритных характеристик ВОДД;

- улучшить показатели технологичности высокотемпературного ВОДД такие как: количество технологических операций при сборке ВОПМП; количество деталей, входящих в узел оптической системы; количество подходов при сборке, юстировке, настройке ВОДД; наличие специальной оснастки и точного оборудования;

- разработать технологии изготовления высокотемпературного ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками,

основными элементами которого являются базовые ВОПМП и унифицированные волоконно-оптические кабели;

- провести экспериментальные исследования лабораторного образца высокотемпературного ВОДД отражательного типа.

Область исследования. Задачи, решенные в диссертации, соответствуют областям исследования специальности 05.11.14 - Технология приборостроения: п. 1 - разработка научных основ технологии приборостроения при создании нового поколения высокотемпературных ВОДД на основе ВОПМП, п. 3 - разработка и исследование методов и средств повышения точности, надежности технологических процессов производства высокотемпературных ВОДД на основе ВОПМП.

Объект исследований - волоконно-оптические преобразователи микроперемещений отражательного типа и высокотемпературные ВОДД на их основе.

Предмет исследований - комплексные научно-технические решения, технологические способы, режимы технологических процессов, обеспечивающие создание волоконно-оптических преобразователей микроперемещений, позволяющие в качестве базовой технологически-конструктивной компоненты создавать новые образцы высокотемпературных ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками при создании перспективных изделий РК и АТ.

Методы исследований. При разработке математических и физических моделей ВОДД использовались теоретические положения оптики, аналитической геометрии. При решении задач синтеза и анализа ВОДД использовались положения теории чувствительности, дифференциального и интегрального исчисления, имитационного моделирования, теории надежности. При проведении метрологического анализа использовалась теория статических предельных метрологических моделей линейных измерительных преобразователей. При экспериментальных исследованиях

использовались теория измерений, теория планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.

Достоверность результатов, изложенных в работе, подтверждается непротиворечивостью выводов законам физики, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим моделированием, экспериментальными исследованиями, а также созданием и испытаниями действующих макетных образцов ВОДД.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами.

1 Новые технические и технологические решения высокотемпературных ВОДД основаны на использовании ВОПМП отражательного типа, принцип действия которых заключается в изменении отражательной способности для электромагнитных волн инфракрасного диапазона в области срезанных торцов оптических волокон расположенных вблизи МОЭ (кварцевой мембраны), что обеспечивает улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик ВОДД.

2 Технология позиционирования ПОВ и ООВ в зоне измерения, учитывающая особенности формы поверхностей среза, каждая из которых является частью эллипса, а также требуемое расстояние до мембраны, равное 10... 15 длинам волн оптического излучения, что обеспечивает увеличение мощности сигнала а также снижение требований к технологическому процессу сборки датчика.

3 Технология изготовления высокотемпературного ВОДД отличается тем, что реализована на основе нового базового ВОПМП отражательного типа, представляющего собой конструктивную совокупность МОЭ и узла соединения скошенных торцов ПОВ и ООВ, расположенных относительно друг друга на расстоянии, равном 10... 15 длинам волн оптического излучения инфракрасного источника излучения, что позволило снизить основную погрешность ВОДД в 2...3 раза.

4 Впервые получена функциональная зависимость между выходными и входными сигналами оптической системы высокотемпературного ВОПМП отражательного типа, которая позволила на основе численного моделирования определить конструктивно-технологические параметры оптической системы, обеспечивающие снижение температурной погрешности, повышение чувствительности преобразования оптического сигнала при одновременном повышении технологичности и снижении массогабаритных характеристик ВОДД.

Практическая значимость работы подтверждается следующим:

- разработана технология изготовления высокотемпературных ВОДД, обеспечивающая повышение их технологичности, точности и надежности в жестких условиях эксплуатации;

основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке высокотемпературных ВОДД в диапазонах 0...12,26, 0...29,43 МПа: шифр ВОДД ТЭ-001;

- результаты, полученные в диссертационной работе, позволяют повысить искро-, взрыво-, пожаробезопасность и надежность ВОИИС перспективных образцов РК и АТ.

Практическая значимость исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационных исследований в НТЦ «НАНОТЕХ» ПТУ и ОАО «Контрольприбор» г. Пенза.

Апробация работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ПТУ (г. Пенза, 2008), на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.), на Международных НТК «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» «Шляндинские чтения» (г. Пенза, 2010, 2012 гг.), на Международной НТК

«Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2011 г.), IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, 2009 г.), П-ом, Ш-ем, 1У-ом Российских Форумах «Российским инновациям - Российский капитал» и УП-ой, УШ-ой и 1Х-ой ярмарках бизнес-ангелов и инноваторов (г. Саранск, 2009 г., Ижевск, 2010 г., г. Оренбург, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Волоконно-оптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении» «СВЕТ-2013» (г. Пенза, 2013г.). Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 28 работах, из них 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, 1 патент на изобретение. Без соавторов опубликовано 3 работы. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, библиографического списка, 6 приложений. Основная часть изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 10 таблиц. Список литературы содержит 94 наименования. Приложения к диссертации занимают 20 страниц.

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПРЕДМЕТА ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ состояния вопроса создания и внедрения волоконно-оптических систем и датчиков давления на изделиях ракетно-космической и авиационной техники

Непрерывное усложнение создаваемых летательных аппаратов (ЛА), исключительно высокая насыщенность их специальными техническими системами, системами управления и контроля различных физических параметров, информационно-измерительными комплексами, значительный рост взаимосвязей и взаимодействий этих систем, конструктивных элементов агрегатов и подсистем как внутри ЛА, так и в комплексе с наземными измерительными пунктами, требует увеличения объемов измерения и контроля параметров в различных системах ЛА.

Для реализации этих задач требуется создание и широкой �