автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для информационно-измерительных систем

На оравах рукописи

БАДЕЕВА Елена Александровна

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

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

►

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2005

Работа выполнена на кафедре «Приборостроение» Пензенского государственного университета.

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Мещеряков Виктор Афанасьевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Макарычев Петр Петрович; кандидат технических наук Солодимова Галииа Анатольевна.

Ведущая организация - Ракетно-космическая корпорация «Энергия» (г. Королев Московской обл.).

Защита диссертации состоится «_»_2005 г., в_часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в Пензенском государственном университете по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета. }

Автореферат разослан « »_2005 г. <

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Светлов А. В.

2 2 et 644

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Радикальным шагом переоснащения ракетно-космической техники (РКТ) новой, более точной, надежной, малогабаритной, помехозащищенной датчиковой аппаратурой является внедрение волоконно-оптических датчиков (ВОД).

Основное преимущество ВОД перед электрическими обусловлено их естественной сопрягаемостью с волоконно-оптическими средствами передачи информации и лучшими возможностями объединения их в волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ИИС). В свою очередь, внедрение волоконно-оптических ИИС необходимо для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту космических аппаратов и ракет-носителей.

Контроль давления на борту летательных аппаратов занимает до 50 % от общего числа всех измерений, поэтому создание ВОД давления (ВОДЦ) для ИИС изделий РКТ с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками является актуальной задачей.

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

На основании исследований принципов преобразования измерительной информации в изменение параметров оптического сигнала определено, что необходимо сконцентрировать усилия на разработке простых, надежных и универсальных, с точки зрения конструктивных и схемных решений, ВОДЦ, принцип действия которых основан на модуляции под действием измеряемой физической величины интенсивности светового потока. Амплитудный принцип модуляции обеспечивает наиболее простое мультиплексирование сигналов в волоконно-оптических ИИС. Большинство схем амплитудной модуляции не требует когерентных источников излучения, волоконно-

оптический кабель (ВОК) может быть изготовлен из дешевых мно-гомодовых оптических волокон.

Основным недостатком, ограничивающим использование амплитудных ВОДЦ, является то, что на точность измерения оказывают влияние внешние влияющие факторы (ВВФ). В то же время использование простых компенсационных и дифференциальных схем, а также возможность проведения многопараметровых измерений за счет применения большого количества простых амплитудных ВОДД позволяют повысить точность измерений.

ВОДД отражательного типа составляют самую обширную группу среди амплитудных ВОДД, что объясняется простотой конструктивного исполнения, совершенной и простой технологией изготовления отражающих поверхностей. Наибольшее распространение получили зеркальные отражающие поверхности, не вносящие заметных неинформативных потерь светового потока в процессе измерения.

Существенным недостатком известных технических решений ВОДЦ отражательного типа является низкая чувствительность преобразования оптического сигнала, обусловленная большими потерями при расхождении светового потока в пределах апертурного угла оптического волокна. Таким образом, при проектировании амплитудных ВОДД на первый план выступают вопросы, связанные с распределением плотности мощности по сечению пучка света, несущего регистрируемую информацию, характер изменения структуры излучения в зоне измерения.

Из-за сложности математической формализации до настоящего времени не уделялось внимание распределению яркости на выходе оптических волокон и в зоне измерения, что не позволяло обосновать оптимальное месторасположение в зоне измерений управляющих устройств и оптических волокон. Поэтому необходимо определить, как распределен в разрыве волоконно-оптического канала поток излучения. *

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы являются научное обоснование, разработка и исследование новых волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для ИИС с метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающими требованиям ракетно-космической техники.

4 <чв>

Эта цель достигается решением следующих задач:

- разработкой структурных, математических, метрологических моделей и алгоритмов преобразования сигналов волоконно-оптических преобразователей давления (ВОПД) и ВОДД отражательного типа;

- разработкой алгоритма преобразования светового потока в зоне измерения, обеспечивающего необходимую пространственную структуру пучка, максимальную глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала, простоту юстировки элементов оптической системы;

- теоретическим обоснованием новых технических решений физической реализации ВОПД, позволяющих при незначительной модификации конструктивного исполнения на их основе создать гамму ВОДД для измерения давления в разных диапазонах измерения, разных условиях применения, на разных объектах;

- развитием компенсационного и дифференциального способов повышения точности измерений ВОДД на основе компенсационного и дифференциального управлений световым потоком в оптическом канале;

- установлением аналитической зависимости между выходным и входным сигналами компенсационного ВОДЦ отражательного типа;

- проведением теоретического анализа метрологических и эксплуатационных возможностей ВОДД отражательного типа, применяемых в условиях РКТ;

- проведением экспериментальных исследований и анализом технических возможностей экспериментальных образцов ВОДД отражательного типа.

Методы исследований. При разработке математических и физических моделей ВОПД и ВОДД использовались основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, применялись методы математической физики, теории упругости, прикладной механики. При решении задач по синтезу и анализу ВОПД и ВОДД использовались положения теории чувствительности, погрешностей, гармонического анализа, дифференциального и интегрального исчислений, аналитической геометрии, методы численного анализа, имитационное и статистическое моделирование на ЭВМ. В эксперимен-

тальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов. Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями лабораторных макетов и реальных образцов ВОДД.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработаны структурные, математические и метрологические модели и алгоритмы преобразования сигналов амплитудных ВОПД и ВОДД с открытым оптическим каналом.

2 Разработаны алгоритмы целенаправленного управления поведением пространственной модуляционной функции излучения в зоне восприятия информации, обеспечивающие требуемые энергетические соотношения и рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерения оптического канала.

3 Разработан комплекс базовых функций преобразования ВОПД отражательного типа с учетом функции влияния распределения светового потока в пространстве зоны измерения, анализ которых показал, что, изменяя целесообразным образом конструктивные параметры ВОПД, можно добиться улучшения метрологических характеристик.

4 Разработаны и теоретически обоснованы новые и усовершенствованные способы улучшения метрологических характеристик ВОДД: чувствительности преобразования, глубины модуляции оптического сигнала, повышения точности измерения, в частности:

- способ взаимной компенсации неинформативных изменений параметров оптического канала ВОДД при воздействии ВВФ за счет использования оптического компенсационного канала;

- способ, основанный на поддержании постоянным значения расстояния между торцом волоконно-оптического кабеля и отражающей поверхностью при введении в конструкцию элементов, изготовленных из материалов с разными температурными коэффициентами линейного расширения;

- способ взаимной компенсации изменения мощности источника излучения и длины оптических волокон, закрепленных на темпера-турозависимом элементе, при изменении температуры окружающей среды.

5 Разработана методика определения и расчета основных параметров ВОПД и ВОДД отражательного типа.

6 Предложена методика оценивания погрешностей амплитудных ВОДД, в которых ВОК рассматривается как объект метрологической модели, влияющий на большинство метрологических характеристик ВОДД.

7 На основе проведенных исследований разработаны новые технические решения ВОДЦ отражательного типа с компенсационным каналом, обеспечивающие высокие метрологические характеристики и надежное функционирование ВОДЦ в условиях, характерных для объектов PKT.

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (111 У) на кафедре «Приборостроение», и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания ВОДЦ отражательного типа с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и внедрения их в ИИС на изделиях ракетно-космической техники. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к их промышленному проектированию, производству и внедрению. Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, договора № 4 (546Н) от 06.07.99 (НИР «Сфера») между ПТУ и НИКИРЭТ (ГУП СНПО «Элерон») г. Заречный Пензенской обл., НИР «Автоматика-1», выполняемой Федеральным ядерным центром ВНИИТФ г. Снежинск Челябинской ' обл. по гособоронзаказу, договора № 4/8 от 05.02.03 (НИР «ВОДД»)

между ОАО «НИИВТ» г. Пенза и ПГУ, договора № 275 от 01.02.04 (НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС») между ЗАО «НИИФИ и ВТ» г. Пенза и ПГУ.

Исследования выполнялись при финансовой поддержке НИР аспирантов вузов в форме гранта Министерства образования России (приказ от 12.05.2003 г.) шифр А03-3.20-403 «Исследование процесса распределения светового потока в пространстве ВОП с открытым оптическим каналом».

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке ВОДД, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании макетных образцов ВОДД отражательного типа для измерения избыточного давления в диапазонах 0...5, 0...10, 0...15, 0...28 кгс/см2: шифр ВОДД 001 и ВОДД 002.

Элементы теории проектирования, материалы по расчету ВОДД использованы в НИР «Сфера», «Автоматика-1», НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС», НИР «Волоконно-оптические датчики давления», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу студентов по разделу «Авиация, авиастроение и воздушный транспорт» (г. Казань, 1998 г.), IV Международной НТК «Точность технологических и транспортных систем» (г. Пенза, 1998 г.), Всероссийской НТК «Состояние и проблемы технических измерений» (г. Москва, 1998 г.), Международной НТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (г. Пенза, 1999, 2002 гг.), Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2003, 2005 гг.), НТС Федерального космического агентства.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ, из них 1 монография, 20 статей в центральных (в том числе международных) изданиях и межвузовских сборниках, 1 учебное пособие, 1 патент и

3 заявки на изобретение. Без соавторов опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,

4 глав, заключения, списка используемой литературы, 7 приложений. Основная часть изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 115 наименований. Приложения к диссертации занимают 60 страниц.

На защиту выносятся следующие положения:

1 Структурные, математические и метрологические модели, алгоритмы преобразования сигналов амплитудных ВОДД отражательного типа.

2 Алгоритмы преобразования светового потока, обеспечивающие требуемые энергетические соотношения и рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерений открытого оптического канала ВОДЦ.

3 Методика расчета основных параметров оптического канала, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в зоне измерения, при которых обеспечиваются повышенные метрологические характеристики ВОДЦ отражательного типа.

4 Новые и усовершенствованные способы улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик и новые технические решения ВОДД отражательного типа с компенсационным каналом, внедрение которых позволит повысить эффективность ИИС ракетно-космической техники.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе «Общие вопросы разработки амплитудных волоконно-оптических датчиков» проведен анализ соотношения спроса и предложения на ВОД, который показал, что объекты РКТ испытывают большую потребность в ВОДД.

Специфику выбора предмета исследований определяют требования уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на объектах, абсолютной искро- и взрывобезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех, механических факторов, перепадов температур, характерных для изделий РКТ.

Определен предмет исследований - волоконно-оптические преобразователи и датчики давления с открытым оптическим каналом отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала под действием измеряемого давления, для информационно-измерительных систем перспективных образцов ракетно-космической техники и народного хозяйства.

Амплитудные ВОП по типу оптического канала (OK) разделены на три больших класса: с открытым OK, когда изменения измеряемой

физической величины (ФВ) вызывают изменения условий распространения света в разрыве ВО канала в зоне измерений; с закрытым ОК, когда изменения измеряемой ФВ ведут к изменению условий распространения света в самом ВО канале в зоне измерений; без внешнего ИИ и подводящего ОВ, когда изменения измеряемой ФВ вызывают изменения интенсивности излучения светогенерационных веществ.

Во второй главе «Разработка математических моделей волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа» предложены обобщенные структурные схемы ВОДД с электрическим (ЭИ) и оптическим (ОИ) интерфейсами, на основе которых разработаны алгоритмы преобразования сигналов в ВОДД (рисунок 1).

а

б

Рисунок 1 - Структурная схема ВОДД: а - с электрическими входом и выходом; б- с оптическими входом и выходом

ВОДД с электрическим интерфейсом состоит из ВОПД и опто-электронного блока (ОЭБ). ВОДД с оптическим интерфейсом представляет собой собственно ВОПД, который состоит из измерительного преобразователя (ИП) и волоконно-оптического кабеля (ВОК). ВОК представляет собой жгут подводящих (ПОВ) и отводящих

> (ООВ) оптических волокон. Для эффективной передачи светового потока от источника излучения (ИИ) к ПОВ и от ООВ к приемнику излучения (ПИ) введены узлы юстировки УЮ1 и УЮ2.

, Электрический сигнал ип, поступающий на вход ОЭБ, преобразу-

ется с помощью электрооптического преобразователя ИИ в оптический сигнал Ф, часть которого Ф0' поступает на вход ВОК через УЮ. По ПОВ световой поток Ф0 передается в зону измерения ИП, где его интенсивность изменяется под действием давления Р. Часть светового потока Фип(/>), промодулированного в функции Р, поступает в ООВ, передается по ним через узел УЮ2 к ПИ, где происходит фотоэлектрическое преобразование. С выхода ОЭБ снимается сигнал 1(Р). Таким образом, происходят следующие преобразования:

ип~* Ф-+Ф'0-+Ф0—* ^)-*Фш(Р)~^Ф,(Р) ~*Ф(Р) — Т(Р)

Структурирование базовых элементов ВОДД позволило разработать математические модели функции преобразования (ФП), которая для электрического ВОДД представляет собой зависимость тока ПИ от контролируемого давления Р и влияющих факторов : 1(Р, = РшЦО^)Ф(Р, Уйш, где Рш - мощность светового потока ИИ;

- коэффициент спектрального согласования элементов ВОДД; Ф(Р, £,,) - функция преобразования ВОПД; ¿'пи - интегральная токо-

> вая чувствительность ПИ.

В оптическом ВОД Д происходят следующие преобразования:

Ф -"Ф0-►(+) --Фит^Р)-"Ф(Р)

Функция преобразования ВОПД имеет вид: Ф(Р ) = КцС^сп^т(Р ), где КцС, Ксп - коэффициенты передач трактов «ИИ-ПОВ» и «ООВ-ПИ» соответственно; Ку^Р) - ФП измерительного преобразователя.

Управление световым потоком зеркальными отражающими поверхностями (ЗОП) происходит следующим образом (рисунок 2).

Лучи света от ПОВ проходят путь X, до зеркала и путь X, в обратном направлении до ООВ под апертурным углом к оптической оси ОВ. При этом в плоскости ООВ наблюдается освещенная кольцевая зона шириной А = внешний радиус которой Квнсш=2ХХ£@мА. Бели зеркало перемещается в направлении X, изменяется положение

кольцевой зоны относительно ООВ в направлении 2, которое ведет к изменению площади приемного торца ООВ, освещенной отраженным световым потоком, т. е. = АХ).

Введен модуляционный пространственный коэффициент К(Х, 7), определяемый произведением двух составляющих, первая из которых К(В) характеризует распределение плотности мощности по сечению пучка света, а вторая - К($осв) - степень суммарной освещенности рабочего торца отводящих ОВ. Для того чтобы поведение функции К(Х, 7) было прогнозируемо и позволяло однозначно определить вид функции преобразования Ф(Х, 2Г), необходимо, чтобы К{В) - 1. Это возможно в том случае, когда зеркальная поверхность и отводящие ОВ расположены в плоскостях, где распределение освещенности по сечению, перпендикулярному оптической оси ВОПД равномерное.

к

Определено К(Х) = р —-,

к

где Х^пр ~ суммарная площадь приемных торцов ООВ, освещенная ¿=1

отраженным от зеркала световым потоком; р - коэффициент отражения ЗОП; / =1 ...к - количество ООВ; площадь кольцевой зоны в плоскости приемных торцов ООВ.

С учетом построений, приведенных на рисунке 2, определено:

К(Х)

Ашс(2Х,Щ®„л -О

п .а . ■ а Л. гс

агсят--5т(2агс5п

190 2Я 2Я

>Я}

п .а . а .

—штат--81п(2агс8п —)

.90 2гс 2гс'л

Параметры а и Л зависят от расстояния X, от торца ОВ до ЗОП, расстояния И между осями ПОВ и ООВ, а также от начального расстояния Хо между торцом ВОК и ЗОП. Таким образом, изменяя параметры а, Д Х0, можно целенаправленно управлять поведением функции К = АХ). Управление конструктивными параметрами ВОПД обеспечивает достижение максимальной чувствительности преобразования при максимально достижимых линейности ФП и глубины модуляции оптического сигнала.

Распределение яркости световых пучков на выходе ПОВ, в зоне измерения и на входе ООВ оказывает влияние на метрологические характеристики ВОДД, поэтому определено, как распределен в разрыве ОК поток излучения. Рассмотрена структура пучка света, сформированного излучающим торцом ПОВ. Поперечное сечение пучка имеет круговую и кольцевую зоны. Энергетическая освещенность площадки радиусом (гс - создаваемая излучающим торцом ОВ с постоянной яркостью в сечении, расположенном вблизи торца ОВ, практически равномерна по всей поверхности. При увеличении расстояния до секущей плоскости освещенность поверхности резко уменьшается в направлении от оптической оси ОВ к краю поверхности. Если диаметр зоны I равен диаметру с/С) то освещенность зоны II равномерная. Таким образом, доказано, что существуют такие

поперечные сечения светового потока в зоне измерения, в которых освещенность поверхности равномерная, в этом случае поведение модуляционной функции К(Х, 2) прогнозируемо и позволяет однозначно определить вид функции преобразования Ф(Х, 7).

В разрабатываемых ВОПД отражательного типа, в которых ПОВ и ООВ расположены в одной плоскости, необходимо, чтобы отражающая поверхность располагалась на расстоянии Хщт относительно них, большем дистанции формирования луча ¿ф. В частности, если используются «кварц-кварцевые» волокна с с/с = 200 мкм, ®на = 12 град, тоХцш, > 500 мкм.

В ВОДД отражательного типа (рисунок 3) модуляция оптического сигнала осуществляется в ВОПД за счет перемещения отно-

1 1

_2П

1 I

Хо

1А

пов 1 'оов 2

а-а

а-а

пов

Рисунок 3 - Конструктивная схема ВОДД отражательного типа

сительно торцов ПОВ и ООВ, расположенных в одной плоскости, зеркальной поверхности мембраны при ее прогибе под действием давления.

При начальной установке оптических волокон вблизи Хо изменение потока линейно связано с изменением расстояния до ЗОП. Вблизи максимума Хтгх выходной сигнал датчика практически не зависит от расстояния до ЗОП и будет определяться мощностью источника излучения, потерями в ОВ и отражающими свойствами зеркала.

Определена функция преобразования ВОПД

Ф(Р)^Ф0{ку[(Ь+\)/2]МА2}рих

л

к [л2 Гтг .а . . а ч

х — к— агсБШ--81п(2агс51п—)

,=1 2 «90 2Я 2Я

/ 4пгс [2Х0 - (!/>.

й .а . .„ а .

— агсзт--зт(2 агсвт-)

90 2г~ 2г/

16 ' Ек2

Определена функция преобразования разработанного ВОДД с компенсационным каналом (см. рисунок 4 глава 4)

[/гаи (Р) ~ /им С*)И /рпи (Р) +/кпи (*)]= {ЗД6+1)/2]Л^2}рм х *[д2

хат

п .а . а . \ г~ Г п .а ... . а .

—агсБШ--81п(2агс81п—) Н- — —агсБт--31п(2агс5ш-)

■00 2Л 2Л -1 2 [90 2гс 2гс _

/ 4ягс [2Х0 - (2/> Гс]] - [

16 Екг Апг,{2ХЪ*ш-г)

с'

у. Л2 Г я , а ... . а .1 гс Гп ■ а • ■ а N

л < — — агсБШ--31п(2 агсБШ —) + — — агсэт--зт(2 агсБШ-)

1 2 [90 2Я 2Н \ 2 [90 2гс 2гс

/ [{^[(¿+1)/2]Л^2}рм х

* Л2 | п .а ... . а, гЛя .а ... .а х V < — Р-агсвт--81п(2агс5т—)+— —эгсбш--зт(2агсзт—

/ = 1[ 2 190 2Л 2К1 2 |_90 2/с 2гс

/ 4лгс [2Х0 - (!/> к^н^фм-гв]] +[

' С1.2 0

)

с

2

х

16 £Л2 4пгс^ё&МА-гс)

.2

Я . ЙГ , А,

— агсвт--$т(2 агсБШ —)

90 2Л 2к

я . а . ,„ а .

— агсвт--5ш(2 агсвт-)

90 2гР 2г.

В этом случае наблюдаются удвоение чувствительности преобразования, линеаризация выходной зависимости, снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности ИИ и чувствительности ПИ.

В третьей главе «Разработка способов улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик ВОДЦ отражательного типа» проведены метрологический анализ и анализ отказов ВОДЦ амплитудного типа, определены возможные погрешности и даны рекомендации по их снижению, предложен новый подход к проектированию ВОДЦ, улучшающий эксплуатационные характеристики (ЭХ) вновь разрабатываемых ВОД. Разработаны метрологические модели ВОДЦ с оптическим и электрическим интерфейсами.

Реальные ФП датчиков будут иметь вид:

- для электрического ВОД:

/Р = Рш{ 1+ бРииХЛ^ ЯИсХ1+ 6А-ис)(Л2+Лз+Лл+Я'ип)(1 + 5#ип) х

X (Д4 + ясп)(1 + 5Ясп)[(1 + бл(ЩЛ5 + + 85пи)ЛГ;

- для оптического ВОД:

Фр = Ф0(А, + Кж){ 1 + 5ЯисХЛ2 + Аз + Ал + Кш) х х (\+ЬКт)(А4 + #спХ1+5ЯспЖ, где А| - погрешность юстировки (ПЮ) ИИ относительно ПОВ; А2 -ПЮ ПОВ относительно измерительного преобразователя (ИП); А3 -аддитивная погрешность из-за неточности изготовления ИП; Д4 -ПЮ ИП относительно ООВ; Д5 - ПЮ ООВ относительно ПИ; Ал -погрешность линейности ФП ИП; ЬРт - погрешность, обусловленная изменением мощности и диаграммы излучения ИИ при изменении температуры, напряжения питания; §Л"ис> 5Ясп - погрешности, обусловленные изменением светопропускания ПОВ и ООВ при изгибах ВОК; 5Лип - мультипликативная погрешность, обусловленная изменением параметров ИП при воздействии ВВФ; 5т)(Л,) - погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ при изменении температуры; 55пи - погрешность от изменения чувствительности ПИ при изменении температуры, напряжения питания. Дана оценка возможных погрешностей ВОДЦ. Часть погрешностей может быть снижена в процессе сборки датчиков точной юстировкой элементов конструкции. Многие погрешности носят систематический характер, по-

этому могут быть исключены. Предложено несколько способов снижения данных погрешностей.

Предложены варианты взаимного расположения ПОВ и ООВ в рабочих торцах ВОК. Проведен сравнительный анализ предложенных схем с точки зрения эффективности передачи светового потока. Определено, что коаксиальное расположение ОВ в жгуте ВОК датчика отражательного типа наиболее простое по технологии изготовления. Одновременно оно целесообразно с точки зрения управления световым потоком. Определено, что при одном и том же количестве ОВ в общем торце ВОК, равном 7, изменение взаимного расположения ПОВ и ООВ дает возможность изменять глубину модуляции оптического сигнала и чувствительности преобразования в 1,5 раза.

Даны рекомендации по улучшению метрологических характеристик ВОДД. Разработаны, теоретически доказаны и использованы в реальных ВОДД новые конструктивные способы снижения температурной погрешности, основанные на следующем:

- поддержании постоянным значения расстояния Х0 между торцом ВОК и мембраной за счет введения в конструкцию датчика прокладки высотой Л, большей зазора Х0, из материала с ТКЛР, ап меньшим, чем ТКЛР ал материала мембраны (при этом должно выполняться условие

Л(1+апА7)- (/г-Х0)(1+алА7) = Х0, если материал мембраны 36НХТЮ-Ш (ал = 14-10"6 1/°С), прокладки -29НК(аТ2 = 5 -Ю-61/°С),Хй «0,7мм, АТ= 100°С,то/?* 1,1 мм);

- формировании с помощью линзы параллельного хода лучей, исключающего влияние изменения расстояния ЛГо ■

Проведены систематизация и анализ возможных источников отказов ВОДД. Сделан вывод: самым слабым элементом ВОДД, с точки зрения механической надежности, и соответственно метрологической,является ВОК. Даны предложения по исключению отказов:

- для повышения надежности ВОДД в условиях РКТ необходимо исключить механические информативные и неинформативные изгибы ВОК. Такой подход может быть реализован в ВОДД с открытым Оптическим каналом;

- разработаны технологическое приспособление, обеспечивающее жесткое крепление всех концов кабеля относительно ВОДД и

БПИ в процессе изготовления датчика, и специальная конструкция ВОК, исключающая механические воздействия на ВОК в месте стыковки кабеля с корпусом ВОДД.

В четвертой главе «Новые конструкции и экспериментальные исследования амплитудных ВОДД отражательного типа» рассмотрены конструктивные особенности амплитудных ВОПД и ВОДД • отражательного типа, предложенные и разработанные при участии автора.

Разработаны конструкции унифицированного ВОК со стандарт- ,

ными посадочными размерами оптических разъемов для ВОДД отражательного типа с оптическим и электрическим интерфейсами. Первый тип ВОК может быть использован для передачи оптических сигналов от ИП к оптоэлектронному блоку любого типа датчика давления, а также к стандартным измерителям оптической мощности; второй тип ВОК может быть использован в ВОД отражательного типа для измерения других физических величин.

Предложено параметры (толщину мембраны h и радиус мембраны Ro) положить в основу конструктивной унификации. Определено, что одну конструкцию ВОДД (с одним радиусом мембраны R0) можно использовать для измерения давления в нескольких диапазонах, меняя при этом только толщину мембраны h

Разработаны конструктивная и структурная (показана на рисунке 4) схемы нового ВОДД с компенсационным каналом. Датчик содержит корпус с закрепленными в нем мембраной, рабочим (РЖ) и компенсационным (КЖ) жгутами ВОК. РЖ установлен напротив зеркальной поверхности мембраны, перемещающейся в соответствии с законом изменения измеряемого давления Р, а КЖ - напротив неподвижного зеркала.

Часть светового потока /чФ0 = Фор, сформированного источником излучения ИИ, по подводящим оптическим волокнам ПОВр рабочего канала передается в зону измерений в направлении мембраны, другая часть светового потока К2Фо= Фок того же ИИ по подводящим оптическим волокнам ПОВк компенсационного канала направляется на неподвижное зеркало. Отраженные световые потоки Фр =j[F) и Фк= const по ООВр и ООВк поступают на приемники излучения РПИ и КПИ соответственно.

вок

водд ТЗЩ

оов.

♦рр)

---ыш

Ш1

ИИ

пов.

меябрам

ПОВ.

КШ I

ООВ.

Рисунок 4 - Структурная схема ВОДД отражательного типа с компенсационным каналом

Электрические сигналы ^{Х) и /2 с выхода РПИ и КПИ поступают на вход блока преобразования информации (БПИ), где осуществляется операция [1р(Р) - 1к]/[1р(Р)+1к].

Разработана новая конструкция ВОДД отражательного типа с компенсационным каналом. В предложенном датчике значительно снижены погрешности, обусловленные изменением мощности ИИ и изгибами ОВ, так как указанные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в рабочем и компенсационных каналах, которые не влекут изменения отношения сигналов. Для подтверждения теоретических положений диссертации по определению конструктивных параметров ВОДД отражательного типа, а также для определения количества и взаимного расположения оптических волокон в торцах ВОК была разработана измерительная установка со специальным разработанным оптическим тестером.

Снимались значения оптической мощности при изменении прогиба мембраны для разных конструкций ВОК и мембран с разными геометрическими размерами. По полученным результатам были построены графические зависимости Ж=ДХ) (пример на рисунке 5).

I

Рисунок 5 - Графики экспериментальной зависимости 1У=ДХ) с использованием ВОК 2 при Л0 = 6,0 мм; при Хо=0,7 мм-Ш; при Х0=0,9 мм-Ш-, при Х0= 1 мм- »3

Результаты экспериментальных исследований разработанного экспериментального образца ВОДД отражательного типа с компенсационным каналом показали:

- изменение расстояния Хо между ВОК и мембраной на 0,1... 0,2 мм ведет к изменению чувствительности преобразования в 2 и более раза, так, например, при Х0 = 0,8 мм чувствительность преобразования в начале диапазона измерения составляет 3 нВт/кгс/см2, а при Хо = 1,0 мм - 6 нВт/кгс/см2;

- существенной глубины модуляции оптического сигнала (до 30%) можно добиться, перемещая центр мембраны вдоль оси X на 0,5*4;

- температурная погрешность в диапазоне температур ± 60 °С не превышает 5 %, что в 2 раза меньше, чем у датчика без компенсационного канала;

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

Проведенные экспериментальные исследования и анализ метрологических и эксплуатационных характеристик экспериментальных образцов разработанных ВОДД отражательного типа подтвердили большинство теоретических положений диссертации.

В заключении отмечается, что в работе изложены научно обоснованные новые технические решения по созданию амплитудных ВОДД отражательного типа, внедрение которых позволит создать волоконно-оптические ИИС с качественно новыми полезными свойствами, существенно повышающими эффективность информационно-измерительных систем изделий PKT.

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Разработаны структурные, математические и метрологические модели ВОПД и ВОДД отражательного типа, анализ которых показал, что, изменяя определенным образом конструктивные параметры, можно целенаправленно управлять поведением пространственной модуляционной функции К =ßX, 7), добиваться требуемых значений вносимого затухания, максимальной чувствительности преобразования при максимально достижимых линейности функции преобразования и глубины модуляции оптического сигнала.

2 Разработаны алгоритмы преобразования светового потока, обеспечивающие требуемые энергетические соотношения и рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерений открытого оптического канала.

3 Разработана методика расчета основных параметров оптического канала ВОП и ВОД давления отражательного типа, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в

■ чц.

зоне измерения, при которых обеспечиваются повышенные метрологические характеристики.

4 Усовершенствован компенсационный способ повышения точности измерений ВОДД отражательного типа на основе компенсационного управления световым потоком непосредственно на участке восприятия измерительной информации в оптическом канале и за счет применения новых схем компоновки оптических волокон в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля.

5 Предложена методика оценивания погрешностей амплитудных ВОДД отражательного типа. Даны основные аналитические выражения точностных характеристик разрабатываемых ВОДД; исследованы источники погрешностей, разработаны рекомендации по их снижению.

6 На основе полученных обобщений и проведенных теоретических исследований разработаны и изготовлены новые ВОДД отражательного типа с компенсационным каналом, отвечающие требованиям PKT. Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей экспериментальных образцов ВОДД подтвердили большинство теоретических положений диссертации.

7 Работа обеспечивает создание и внедрение новых средств измерения: амплитудных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для информационно-измерительных систем ракетно-космической техники.

Основные публикации по теме диссертации

1 Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография / Е. А. Бадеева, А. В. Гориш, А. Н. Котов, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин. - М.: МГУЛ, 2003. - 246 с.

2 Бадеева Е. А. Теория измерений: Учеб. пособие / Е. А. Бадеева, Т. И. Мурашкина, В. А. Мещеряков. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2003.-172 с.

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

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

5 Бадеева Е. А. Метрологический анализ волоконно-оптических датчиков амплитудного типа/ Е. А. Бадеева, В. А. Мещеряков, Т. И. Мурашкина // Современные технологии безопасности. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та. - № 4 (7). - С. 20-24.

6 Бадеева Е. А. Формализация процесса распределения светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя с открытым оптическим каналом / Е. А. Бадеева, А. Г. Пивкин // Датчики систем измерения, контроля, и управления: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. - Вып. 23. - С. 126-132.

7 Бадеева Е. А. Обобщенный подход к метрологическому анализу волоконно-оптических датчиков / Е. А. Бадеева, А. В. Гориш, А. Г. Пивкин // Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: Науч. тр. - М.: МГУЛ, 2003. -Вып. 6. - С. 255-257.

8 Бадеева Е. А. Конструирование волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа / Е. А. Бадеева, В. А. Мещеряков // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп. 26 мая - 1 июня 2005. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - С. 377-380.

9 Волоконно-оптический датчик давления на туннельном эффекте / Е. А. Бадеева, А. В. Гориш, Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Крупкина, А. Г. Пивкин // Датчики и системы. - 2005. - №. 8. - С. 10-12.

10 Бадеева Е. А. Способ повышения точности ВОД / Е. А. Бадеева, Т. И. Мурашкина // Оптический журнал. - 1999. - № 1. - Т. 66. -С. 59-61.

11 Бадеева Е. А. Дифференциальный ВОД давления с оптико-механическим модулятором / Е. А. Бадеева, Т. И. Мурашкина, В. А. Мещеряков // Методы и средства измерения в системах контроля и управления: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. 22-23 апреля 1999. - Пенза: ПДНТП, 1999. - С. 15-17.

12 Бадеева Е. А. Анализ механической надежности волоконно-оптического кабеля для датчиков / Е. А. Бадеева, А. В. Гориш, А. Г. Пивкин // Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: Науч. тр. - М.: МГУЛ, 2003. - Вып. 6. - С. 243-254.

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

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

15 Бадеева Е. А. Обоснование конструктивного исполнения предельных аттенюаторов волоконно-оптических датчиков // Методы и средства измерения в системах контроля и управления: Тр. Между-нар. науч.-техн. конф. 9-10 сентября 2002. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002.-С. 18-19.

16 Бадеева Е. А. Волоконно-оптические датчики давления атте-нюаторного типа для летательных аппаратов // Методы и средства измерения в системах контроля и управления: Тр. Междунар. науч-техн. конф. 9-10сентября 2002.-Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та,

2002.-С. 26-27.

17 Бадеева Е. А. Обоснование конструктивного исполнения предельных аттенюаторов ВОД//Датчики и системы.-2003.-№ 7.-С. 47—49.

18 Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для летательных аппаратов / Е. А. Бадеева, В. А. Мещеряков, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин // Датчики и системы. - 2003. - № 4. - С. 11-14.

19 Бадеева Е. А. Анализ механической надежности волоконно-оптического кабеля волоконно-оптических датчиков / Е. А. Бадеева, А. В. Гориш, А. Г. Пивкин // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп. 26 мая - 1 июня 2003. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та. -

2003.-С. 366-370.

20 Бадеева Е. А. Обобщенный подход к метрологическому анализу волоконно-оптических датчиков / Е. А. Бадеева, А. В. Гориш, А. Г. Пивкин // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп. 26 мая- 1 июня 2003. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003.-С.363-366.

21 Волоконно-оптические датчики магнитного поля и электрического тока на основе кристаллов В^ОеС^о / Е. А. Бадеева, В. Д. Бурков, А. В, Гориш, А. Н. Котов, Т. В. Потапов // Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: Науч. тр.- М.: МГУЛ, 2003. - Вып. 6,- С. 188-205.

22 Влияние двулучепреломления на характеристики волоконно-оптического датчика магнитного поля / Е. А. Бадеева, А. Н. Котов, В. Т. Потапов, Т. В. Потапов, М. Е. Удалов // Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: Науч. тр. -М.: МГУЛ, 2003. - Вып. 6. - С. 282-285.

23 Пат. 2253850 Российской Федерации, МПК6 <301 Ь 11/02, 19/04. Волоконно-оптический датчик давления / Е. А. Бадеева, А. В. Гориш, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин / Опубл. 10.06.2005, Бюл. № 16.

24 Заявка 2003118757 Российская Федерация, МПК6 001 Ь 19/04. Волоконно-оптический датчик давления / Е. А. Бадеева, А. В. Гориш, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин.

25 Заявка 2005109814 Российская Федерация, МПК6С01 Ь 19/04. Волоконно-оптический датчик давления / Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин, Е. А. Бадеева.

26 Заявка 2005109815 Российская Федерация, МПК6 001 В 21/00. Волоконно-оптический преобразователь перемещения / А. Г. Пивкин, Е. А. Бадеева, Т. И. Мурашкина.

Бадеева Елена Александровна

Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для информационно-измерительных систем

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

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор Я. А. Вьяпкова

Корректор С. Я Сухова Компьютерная верстка Я. В. Ивановой

ИД№ 06494 от 26.12.01

Сдано в производство 25.10.05. Формат 60х84'/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,63. Заказ № 648. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40

ъ

»25196

РНБ Русский фонд

2006-4 29488

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.

1.1 Современное состояние и перспективы развития волоконно-оптического приборостроения.

1.2 Новая классификация амплитудных волоконно-оптических преобразователей.

1.3 Параметры оптического канала волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа

Радикальным шагом переоснащения летательных аппаратов новой более точной, надежной, малогабаритной, помехозащищенной датчиковой аппаратурой является внедрение волоконно-оптических датчиков (ВОД). Специалисты считают, что в ближайшие 10.-20 лет ВОД заменят во многих отраслях традиционные датчики и, в первую очередь, на летательных аппаратах.

ВОД потенциально нечувствительны к внешним электромагнитным полям, имеют малые габариты и массу, простую конструкцию, отличаются высокой надежностью, стойкостью к повышенным температурам, механическим ударам, вибрациям и др., потребляют малое количество энергии. Отсутствие источника электрической мощности в зоне измерения и замена ее световой энергией с уровнем не выше 1 мВт практически гарантирует безопасную работу ВОД в потенциально пожаро- и взрывоопасных условиях, например, при измерении давления в камерах сгорания реактивных двигателей. Применение ВОД в этом случае значительно снижает уровень вибрационных нагрузок на электронную схему средства измерения, так как с помощью волоконно-оптического кабеля ее можно удалить на значительное расстояние от источника вибрации, каковым является реактивный двигатель, и разместить в амортизированном корпусе.

Основное преимущество ВОД перед электрическими, обусловлено, прежде всего, их естественной сопрягаемостью с волоконно-оптическими средствами передачи информации и лучшими возможностями объединения их в волоконно-оптические сети сбора данных (ВОССД).

В свою очередь, внедрение ВОССД необходимо для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту космических аппаратов и ракет-носителей.

Но работы по созданию отечественных ВОД продвигаются очень медленно, серийно изготавливаемые ВОД для изделий ракетно-космической техники (РКТ) практически отсутствуют. Существующие датчики чаще всего рассчитаны на работу в лабораторных условиях и неработоспособны при воздействии жестких внешних влияющих факторов.

Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы их разработок являются сдерживающим фактором в создании и внедрении ВОССД.

Контроль давления на борту летательных аппаратов занимает до 50% от общего числа всех измерений, поэтому создание ВОД давления (ВОДД) для информационно-измерительных систем (ИИС) изделий РКТ с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающими требованиям РКТ, является актуальной задачей. Решению этой задачи автор посвятила данную диссертационную работу.

Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных ученых и зарубежных авторов: В.И. Бусурина, М.М. Бутусова, А.В.Гориша, В.М. Гречишникова, В.Г. Жилина, Е.А. Зака, Н.Е. Конюхова, Я.В. Малкова, Т.И. Мурашкиной, А.Л. Патлаха, В.Т. Потапова, Н.П. Удалова й др.

В то же время в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования ВОДД для изделий, эксплуатируемых в жестких условиях ракетно-космической техники, соответственно не рассматриваются конструктивно-технологические особенности, и не дается оценка их метрологических и эксплуатационных характеристик в данных условиях.

На основании исследований возможных принципов преобразования измерительной информации в изменение параметров оптического сигнала определено, что необходимо сконцентрировать усилия на разработке простых, надежных и универсальных с точки зрения конструктивных и схемных решений ВОДД, принцип действия которых основан на модуляции под действием измеряемой физической величины интенсивности светового потока. Амплитудный принцип модуляции обеспечивает наиболее простое мультиплексирование сигналов в ВОССД. Большинство схем ампли тудной модуляции не требует когерентных источников излучения, ВОК может быть изготовлен из дешевых многомодовых оптических волокон (ОВ).

Основным недостатком, ограничивающим использование амплитудных ВОДД является то, что на точность измерения существенное влияние оказывают внешние влияющие факторы, например: температура, механические факторы. В то же время использование простых компенсационных и дифференциальных схем, а также возможность проведения многопараметрических измерений за счет применения большого количества простых датчиков представляют возможность повысить точность измерений с помощью амплитудных ВОДД, что определяет целесообразность их приме> нения в перспективных ИИС.

ВОДД отражательного типа составляют самую обширную группу среди амплитудных ВОДД, что объясняется простотой конструктивного исполнения, совершенной и простой технологией изготовления отражающих поверхностей. Наибольшее распространение получили зеркальные отражающие поверхности, не вносящие заметных неинформативных потерь светового потока в процессе измерения, если преобразования светового потока происходят в гермозоне (гермозона обеспечивает отсутствие капелек влаги на зеркале при изменении температуры), каковыми в большинстве своем являются внутренние полости датчиков давления.

Существенным недостатком известных технических решений ВОДД отражательного типа является низкая чувствительность преобразования оптического сигнала, обусловленная большими потерями при расхождении светового потока в пределах апертурного угла оптического волокна.

Таким образом, при проектировании амплитудных ВОДД на первый план выступают вопросы, связанные с распределением плотности мощности по сечению пучка света, несущего регистрируемую информацию, характер изменения структуры излучения в зоне измерения.

Из-за сложности математической формализации до настоящего времени не уделялось внимание распределению яркости на выходе оптических волокон и в зоне измерения. Визуальная оценка распределения изображения в виде цветовой или квазитрехмерной видеограммы позволяет только определить в каком направлении необходимо проводить анализ и не позволяет обосновать оптимальное месторасположение в зоне измерений управляющих устройств и оптических волокон. Поэтому необходимо определить, как распределен в разрыве волоконно-оптического канала поток излучения.

Цель и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является научное обоснование, разработка и исследование новых волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для информационно-измерительных систем с метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающими требованиям ракетно-космической техники.

Эта цель достигается решением следующих задач:

- разработкой структурных, математических, метрологических моделей и алгоритмов преобразования сигналов волоконно-оптических преобразователей давления (ВОПД) и ВОДД отражательного типа;

- разработкой алгоритма преобразования светового потока в зоне измерения, обеспечивающего необходимую пространственную структуру пучка, максимальную глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала, простоту юстировки элементов оптической системы;

- теоретическим обоснованием новых технических решений физической реализации волоконно-оптических преобразователей давления,, позволяющих при незначительной модификации конструктивного исполнения на их основе создать гамму ВОДД для измерения давления на разные диапазоны измерения, в разных условиях применения, на разных объектах;

- развитием компенсационного и дифференциального способов повышения точности измерений ВОДД на основе компенсационного и дифференциального управления световым потоком в оптическом канале;

- установлением аналитической зависимости между выходным и входным сигналами компенсационного ВОДД отражательного типа;

- проведением теоретического анализа метрологических и эксплуатационных возможностей ВОДД отражательного типа, применяемых в условиях ракетно-космической техники;

- проведением экспериментальных исследований и анализом технических возможностей экспериментальных образцов ВОДД отражательного типа.

Предмет исследований - волоконно-оптические преобразователи и датчики давления с открытым оптическим каналом отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала под действием измеряемого давления, для информационно-измерительных систем перспективных образцов ракетно-космической техники и народного хозяйства.

Методы исследований

При разработке математических и физических моделей волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД использовались основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, применялись методы математической физики, теории упругости, прикладной механики.

При решении задач по синтезу и анализу волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД использовались положения теории чувствительности, погрешностей, гармонического анализа, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии, методы численного анализа, имитационное и статистическое моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обра ботка полученных результатов.

Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями лабораторных макетов и реальных образцов ВОД давления.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1 Разработаны структурные, математические, метрологические модели и алгоритмы преобразования сигналов амплитудных волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД с открытым оптическим каналом.

2 Разработаны алгоритмы целенаправленного управления поведением пространственной модуляционной функции излучения в зоне восприяти: информации, обеспечивающие требуемые энергетические соотношения и рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерения оптического канала.

3 Разработан комплекс базовых функций преобразования ВОПД отражательного типа с учетом функции, влияния распределения светового потока в пространстве зоны измерения, анализ которых показал, что, изменяя целесообразным образом конструктивные параметры волоконно-оптических преобразователей давления, можно добиться повышения чувствительности преобразования, требуемых метрологических характеристик.

4 Разработаны и теоретически обоснованы новые и усовершенствованные способы улучшения метрологических характеристик ВОДД: чувствительности преобразования, глубины модуляции оптического сигнала, повышения точности измерения, в частности:

- способ взаимной компенсации неинформативных изменений параметров оптического канала ВОДД при воздействии внешних влияющих факторов (ВВФ) за счет использования оптического компенсационного канала;

- способ, основанный на поддержании постоянным значения расстояния между торцом волоконно-оптического кабеля (ВОК) и отражающей поверхностью при введении в конструкцию элементов, изготовленных из материалов с разными температурными коэффициентами линейного расширения;

- способ взаимной компенсации изменения мощности источника излучения и длины оптических волокон, закрепленных на температурозависи-мом элементе, при изменении температуры окружающей среды;

- способ, основанный на формировании с помощью оптической системы параллельного хода лучей между рабочим торцом волоконно-оптического кабеля и отражающей поверхностью.

5 Разработана методика определения и расчета основных параметров волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД отражательного типа.

6 Предложена методика оценивания погрешностей амплитудных ВОДД, в которых волоконно-оптический кабель рассматривается как объект метрологической модели, влияющий на большинство метрологических характеристик ВОДД.

7 На основе проведенных исследований разработаны новые технические решения амплитудных ВОДД, обеспечивающие требуемые метрологические характеристики и надежное функционирование ВОДД в условиях эксплуатации, характерных объектам ракетно-космической техники.

Практическая значимость работы

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПТУ) на кафедре "Приборостроение", и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и внедрения их в информационно-измерительных системах на изделиях ракетно-космической техники.

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

Научная и практическая значимость исследований подтверждаете!, тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, договора № 4 (546Н) от 06.07.99 г. (НИР «Сфера») между ПТУ и НИКИРЭТ (ГУП СНПО «Элерон») г. Заречный Пензенской обл., НИР «Автоматика-1», выполняемой Федеральным ядерным центром ВНИИТФ г. Снежинск Челябинской обл. по гособоронзаказу, договора №4/8 от 05.02.03 (НИР «Волоконно-оптические датчики давления») между ОАО «НИИВТ» г. Пенза и ПТУ, договора №275 от 01.02.04 (НИР «У стройства сбора и обработки данных в ИИС») между ЗАО «НИИФИ и ВТ» г. Пенза и ПТУ.

Диссертационные исследования выполнялись и реализовывались в ПТУ при финансовой поддержке НИР аспирантов ВУЗов в форме гранта Министерства Образования России (приказ Минобразования РФ от 12.05.2003 г.) шифр А03-3.20-403 «Исследование процесса распределения светового потока в пространстве ВОП с открытым оптическим каналом».

Реализация результатов работы

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании ВОДД отражательного типа для измерения избыточного давления в диапазонах 0.5, 0.10, 0.15, 0.28 кгс/см .

Разработаны макетные образцы волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа: шифр ВОДД 001 (безлинзовый вариант), ВОДД 002 (линзовый вариант).

Элементы теории проектирования, материалы по расчету ВОДД отражательного типа использованы в НИР «Сфера», «Автоматика-1», НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС», НИР «Волоконно-оптические датчики давления», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы», читаемой студентам специальности 200100 "Приборостроение" в ПТУ.

Апробация работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам по разделу «Авиация, авиастроение и воздушный трансцорт» (г. Казань, 1998 г.), IV Международной научно-технической конференции (НТК) «Точность технологических и транспортных систем» (г. Пенза, 1998 г.), Всероссийской НТК «Состояние и проблемы технических измерений» (г. Москва, 1998 г.), Международной НТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (г. Пенза, 1999, 2002 г.г.), международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза

2003, 2005 г.г.), на научно-техническом совещании Федерального космического агентства.

Публикации'

По теме диссертации опубликовано 26 работ, из них 1 монография, 20 статей в центральных (в том числе международных) изданиях и межвузовских сборниках, 1 учебное пособие, 1 патент и 3 заявки на изобретение. Без соавторов опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, 7 приложений. Основная часть изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 115 наименований. Приложения к диссертации занимают 60 страниц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

01. а. г ооч & №2-01/023 по диссертационной работе Бадеевой Е.А.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рассмотрев диссертационную работу Бадеевой Е.А., отмечаем, что в работе приведены: структурные, математические и метрологические модели амплитудных волоконно-оптических преобразователей давления (ВОПД) и волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД) с открытым оптическим каналом; комплекс базовых функций преобразования ВОПД отражательного типа с учетом распределения светового потока в зоне измерения, анализ которых показал, что можно добиться повышения чувствительности преобразователя и повышения метрологических характеристик путем оптимизации конструктивных параметров ВОДД; методика определения и расчета основных параметров ВОПД и ВОДД отражательного типа; методика оценки погрешностей амплитудных ВОДД, в которых волоконно-оптический канал рассматривается как объект метрологической модели, влияющий на большинство метрологических характеристик ВОДД.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о возможности разработки на достигнутом научно-техническом уровне ВОДД отражательного типа для измерительно-информационных систем ракетно-космической техники.

Целесообразно рассмотреть возможность использования результатов диссертационной работы Бадеевой Е.А. при проведении НИОКР, выполняемых по гособоронзаказу с Росатомом РФ, в части разработки ВОДД.

Начальник отдела

Начальник лаборатории

Китаев 1 28.10.04 54621

1. Контроль неразрушаюш;ий. Классификация видов и методов. М.: Изд-во стандартов, 1980. 17 с.