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

На правах рукописи

□□3167167

КРУПКИНА Татьяна Юрьевна

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С ОТРАЖАТЕЛЬНЫМИ АТТЕНЮАТОРАМИ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2007

003167167

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Мурашкина Татьяна Ивановна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Макарычев Петр Петрович;

кандидат технических наук, доцент Агафонов Анатолий Иванович.

Ведущая организация - НИИ космических систем, филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В Хруничева» (г Юбилейный московской области).

Защита диссертации состоится 31 января 2008 года, в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212 186 02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу 440026, г. Пенза, ул Красная, 40

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и на сайте www pnzgu.ru

Автореферат разослан 31 декабря 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к современным информационно-измерительным системам (ИИС), являются повышенная надежность и точность измерений. При этом все чаще встречаются требования абсолютной искро- и взрывобезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех. ИИС на основе волоконной оптики в отличие от традиционных ИИС позволяют решить эти задачи Применение волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД), отвечающих требованиям абсолютной искро- и взрывобезопасности, позволяет существенно повысить безопасность ИИС в целом.

Наиболее отработанными для применения в ИИС являются ВОДД отражательного и аттенюаторного типов Основное преимущество ВОДД отражательного типа заключается в простоте конструктивного исполнения. В то же время подобные датчики обладают низкой чувствительностью преобразования из-за потерь светового потока в зоне измерения. Данный недостаток устранен в ВОДД с предельными аттенюаторами. Причем применение предельных аттенюаторов дает возможность дифференциального преобразования оптических сигналов, существенно улучшающего метрологические характеристики датчика, а именно, повышение чувствительности, линейности функции преобразования и снижение дополнительных погрешностей, обусловленных изменениями мощности излучения источника излучения и изгибами кабеля. В то же время необходимость точной юстировки оптических волокон (ОВ) относительно друг друга и предельного аттенюатора усложняет технологию изготовления датчика, что, в свою очередь, ведет к снижению точностных характеристик.

С учетом вышесказанного в работе решалась задача совмещения достоинств датчиков отражательного и аттенюаторного типов.

Теоретические предпосылки к решению данной задачи созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: В. И Бусурина, М М Бутусова, В. Д Буркова, Ю. А Гуляева, Е. А Зака, Я. В. Майкова, Т. И Мурашкиной, А. Л. Патлаха, В. Т. Потапова, Н. П. Удало-ва и др.

Создание ВОДЦ с отражательным аттенюатором с учетом пространственного распределения мощности светового потока в зоне восприятия измерительной информации и на основе оптимизации параметров новых математических моделей функций преобразования волоконно-оптического преобразователя давления (ВОПД) с отражательным аттенюатором представляет собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное социально-экономическое значение.

Цели и задачи исследований

Целью диссертационной работы является улучшение метрологических характеристик волоконно-оптических датчиков давления с отражательными аттенюаторами для искро-, взрывобезопасных информационно-измерительных систем

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи

- разработка и исследование новых конструктивных решений, структурных схем волоконно-оптических преобразователей (ВОП) давления и перемещения с отражательными аттенюаторами и волоконно-оптических датчиков давления на их основе с улучшенными метрологическими характеристиками;

- разработка алгоритмов преобразования сигналов ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами и ВОДЦ на их основе;

- установление и анализ аналитических зависимостей между выходным и входным сигналами ВОП перемещения с отражательным аттенюатором, сочетающим отражающую и поглощающие поверхности;

- проведение математического моделирования по определению оптимальных конструктивных параметров ВОПД с отражательными аттенюаторами,

- определение энергетических соотношений сигналов ВОДЦ, обеспечивающих искро-, взрывобезопасносгь ИИС;

- анализ метрологических моделей ВОДЦ с отражательными аттенюаторами;

- проведение экспериментальных исследований макетного образца ВОДЦ с отражательным аттенюатором для подтверждения теоретических и расчетных данных.

Методы исследований

При разработке математических и физических моделей ВОПД и ВОДД использовались основные теоретические положения оптики, аналитической геометрии При решении задач по синтезу и анализу ВОПД и ВОДД использовались положения теории чувствительности, дифференциального и интегрального исчисления

При проведении метрологического анализа использовалась теория статических предельных метрологических моделей линейных измерительных преобразователей.

Основные теоретические положения и результаты расчётов подтверждены экспериментальными исследованиями, а также созданием действующих макетных образцов ВОДД и проведением испытаний их в реальных условиях. При проведении экспериментальных исследований реализовывались положения теории измерений, планирования эксперимента и математической обработки результатов теоретических и экспериментальных исследований

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) разработаны новые технические решения ВОДД с отражающими аттенюаторами, отличающиеся тем, что конструктивные параметры оптимизированы на основе разработанных критериев оптимизации. Это существенно улучшает метрологические характеристики датчика;

2) определено и исследовано аналитическое выражение функции преобразования оптических сигналов в ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами, впервые учитывающей распределение мощности светового потока в непосредственной близости от подводящего оптического волокна (ПОВ) и включающей конструктивные параметры отражательных аттенюаторов, влияющих на метрологические характеристики преобразователя и датчика в целом;

3) предложен новый способ измерения микроперемещения отражающих поверхностей относительно ОВ, который впервые учитывает особенности распределения светового потока в виде пучка параллельных лучей вдоль направляющих полого усеченного конуса с углом при основании, равным апертурному углу ОВ, и с толщиной стенки, равной диаметру сердцевины ОВ;

4) разработаны критерии оптимизации параметров ВОП, учитывающие требования независимости оптических сигналов двух измерительных каналов ВОП давления при достижений высокой чувстви-

тельности преобразования и линейности выходной характеристики С учетом данных критериев проведен анализ результатов математического моделирования

Практическая значимость работы

Практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20062008 годы)» в форме гранта Федерального агентства по образованию, шифр РНП.2.1.2.2827, «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом» на базе кафедры «Приборостроение» ПГУ, договора № 389/3 от 30.10.05 (НИР «Волоконно-оптические средства измерения») между ОАО «НИИВТ» (г. Пенза) и ПГУ.

На защиту выносятся:

1) научно обоснованные технические решения ВОДД с отражательными аттенюаторами с улучшенными метрологическими характеристиками для искро-, взрыво-, пожаробезопасных информационно-измерительных систем,

2) математические модели и алгоритмы преобразования оптических сигналов в ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами с зеркальной и поглощающими частями (в виде горизонтальных полос);

3) способ измерения микроперемещения, учитывающий особенности распределения светового потока в пространстве зоны измерения и местоположение отражающих и поглощающих поверхностей ВОП давления;

4) результаты математического моделирования по определению оптимальных конструктивных параметров ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами, обеспечивающих высокую чувствительность преобразования оптических сигналов и независимость оптических сигналов двух измерительных каналов.

Реализация и внедрение результатов диссертации

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке ВОДД с отражательным аттенюатором, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании ма-

кетных образцов ВОДЦ с отражательными аттенюаторами для измерения избыточного давления в диапазонах 0...0,49, 0...0,98, 0...1,37, 0. 2,74 МПа: шифр ВОДИД 002.

Материалы по проектированию и расчету ВОДЦ с отражательными аттенюаторами использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», «Волоконно-оптические средства измерения», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы» для специальности 200100 «Приборостроение».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме докладывались и обсуждались на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу студентов, на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ПГУ (г. Пенза, 2005, 2006, 2007), Международных НТК «Датчики и системы» (г. Пенза, 2005), «Оптика и образование - 2006» (г. С.-Петербург, 2006), на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2006, 2007), на IV Международной НТК «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (г. Пенза, 2007).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 работах, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, 2 патента, 3 научно-технических отчета

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, списка литературы, приложений. Основная часть изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 6 таблиц Список литературы содержит 84 наименования. Приложения диссертации занимают 15 страниц.

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 определен предмет исследований - волоконно-оптические преобразователи давления и перемещения с отражательными аттенюаторами и датчики давления на их основе для ИИС

Принцип действия ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами основан на изменении интенсивности оптического сигнала, отраженного от перемещающейся поверхности, имеющей участки с разными коэффициентами отражения.

Специфику выбора предмета исследований определили требования абсолютной искро- и взрывобезопасности ИИС, работоспособности в условиях сильных электромагнитных помех и преимущества ВОДЦ перед традиционными.

Управление световым потоком оптического канала ВОДЦ осуществляется посредством управляющих элементов и устройств и управляемых параметров оптического канала Для обоснования выбора типа аттенюатора разработана новая классификация аттенюаторов Критериями выбора типа аттенюатора были минимальные неинформативные потери светового потока, максимальные значения вносимых потерь, простота конструктивного исполнения, надежность преобразователя Данным критериям наилучшим образом соответствует отражающий аттенюатор с зеркальной и поглощающими поверхностями, причем поверхности выполнены в виде горизонтальных полос.

Во второй главе проведена математическая формализация процесса распределения светового потока в оптическом канале ВОП с отражательным аттенюатором для определения оптимальных параметров оптической системы ВОДЦ на их основе: расстояния от общего торца ОВ до аттенюатора Хо, ширины отражающей полосы Н, при которых достигаются высокая чувствительность преобразования и линейная функция преобразования.

Разработана оптическая расчетная схема распределения мощности светового потока на выходе ОВ в пространстве ВОП (рисунок 1).

Определены зависимости передаваемой мощности Рпр от расстояния X от общего торца ВОК до аттенюатора Рпр =$Х) и передаваемой мощности от внешнего радиуса кольца освещенной зоны Рщ, = -Х^внеш) в различных сечениях в направлении X

л • Л 3 Гс 2к 2к

Рпр = В*твш™ | ^

ООО о

где Р„р-передаваемая мощность, Вт; В - энергетическая яркость ОВ, Вт/(смг-ср), Лтеш = гс + Хгфш, Лвн = 2гс. Тогда =

=Х,Хфм- гс где гс - радиус сердцевины ОВ, 0Ш - апертурный угол.

Рисунок 1 - Распределение мощности светового потока в ВОП перемещения В окончательном виде

Взш&м<хя3®м гс2 ^ (Х,1ё&ш-гс)2 =

-^пр

X

2

2t„2/-

- 71 Гс tfSinfc)^, COS --г--

= А

te2© _2|»®ЛИГс

X,

А 2 1

= А

)

tg 2®Ш

1—

2 r.

J

+-

xf

где Л = 7t2rc2Ssin0x,jcos3Q

'NA'

_ Bsin&NA cos3 rc2 (^внеш ~^вн)2 _

"P" Xf 2 2

= n\2B sin&N, cos3 (X*™-*»') = /^ш-К»)

Xt X,

Полученные зависимости позволили определить сечения равномерного распределения мощности светового потока и соответственно расстояние, на котором целесообразно располагать отражательный аттенюатор (рисунок 2).

Рисунок 2 - Зависимость Рпр =ДХ) и зависимости Рар = Д /?в„еш), построенные в различных сечениях X

Разработан способ измерения микроперемещения, основанный на том, что световой поток в виде пучка параллельных лучей направляют на перемещающуюся в поперечном направлении поверхность, имеющую отражающую и поглощающую части, вдоль направляющих полого усеченного конуса с углом при основании, равным апер-турному углу ОВ ®мл, и толщиной стенки, равной диаметру сердцевины ОВ й?с.

Модуляция интенсивности светового потока преобразователя, когда освещенная зеркальная отражающая поверхность аттенюатора перемещается в направлении 2 относительно торцов ОВ, происходит следующим образом (рисунок 3), Лучи света от ПОВ проходят расстояние Х0 до отражающей поверхности и расстояние Х0 в обратном направлении до ООВ под апертурным углом к оптической оси ОВ. При этом в плоскости ООВ наблюдается освещенная кольцевая зона шириной, равной диаметру сердцевины ОВ, Если аттенюатор перемещается в направлении 2, то изменяется освещенная отраженным световым потоком площадь приемного торца ООВ.

Определен коэффициент преобразования линейного перемещения К(2)

-----^----X

4тегс(2ЛГ0 Щ®м -гс)

х

(- г}) . , . -2} 1

- Бт(2агс8т

А Аттенюата

Ф

Ф(2) ¿ов

Я=2гс

Зеркальная отражающая | поверхность

оЬв К-,

Двнеш -2Х0Щ®Ш

* А

а

Рисунок 3 - Модуляция светового потока зеркальной поверхностью аттенюатора в ВОПП

Изменяя расстояние Х0 между поверхностью аттенюатора и торцами ОВ, а также выбирая ОВ с разными геометрическими параметрами, можно целенаправленно управлять поведением функции Л" =7(2)

Применение ВОПП с отражательными аттенюаторами позволило реализовать дифференциальную схему преобразования оптических сигналов (рисунок 4).

2

: В-В 4 L_B Л1 А-А К

.В А.

1 - подводящее оптическое волокно; 2, 3 - отводящие оптические волокна первого и второго измерительных каналов; 4 - отражательный аттенюатор;

5,6- зеркальная, поглощающие поверхности аттенюатора соответственно

Рисунок 4 - Дифференциальное преобразование сигналов в ВОПП с отражательными аттенюаторами

Задача управления световым потоком в пространстве ВОПП состоит в том, чтобы обеспечить требуемые функции преобразования Ф|(2) и Фг(2), высокие чувствительности преобразования с1Ф\Ш2 и с/Ф

Выведены функции преобразования первого и второго измерительных каналов ВОПП с отражательным аттенюатором. Для этого определены центры ООВ в плоскости ХОУ: со к(Хк,Ук) или хк= <30со5(кк/3 + л/6), ук = с1а51Г\(лк/3 + я/6), где с10 - диаметр ОВ; к - 1, 2, ..., 6; и центр ПОВ в плоскости ХОУ: ш0 (хо, .Уо)» где д;0= О, уо= 0. Функция, определяющая перемещение аттенюатора вдоль оси ОХ,

|1,|2-га|<1/2 Н, [0,|7-га|>1/2Я,

где 2а - центр отражающей поверхности аттенюатора гю оси OZ; Н- ширина отражающей полосы аттенюатора.

Окончательно

з

ф1<2а) = X ¡¡<?&У>2а,Н,Х0)с1уск,

6

где ф(^з/,га,Я,Аг0) =

V=2^©^+г; га =X0tg©^м + г; у=Л^ли+У'

О, в противном случае,

2, у, га - проекции точек на плоскость а, в которой расположены ООВ.

\z-Zal <1/2 Н-есть условие попадания светового потока на отражающую полосу аттенюатора, которая спроецирована на плоскость а ООВ.

(г - г'к? + (у - у к)2 < (¿/с2)/4 - есть условие попадания светового потока в к-е волокно.

В третьей главе определена элементная база ВОДД, разработана методика расчета конструктивных параметров ВОПД с отражательным аттенюатором, в соответствии с которой проведено математическое моделирование в среде МАТНСАО и анализ его результатов (рисунок 5, а-з). Изменялось расстояние Хо между ОВ и поверхностью аттенюатора и ширина отражающей полосы аттенюатора Н. Зависимости Ф^г) и Фг(г) для первого и второго измерительного каналов строились при начальном расстоянии Зг/С) так как значение интенсивности при Хо = 2,5</с... 3£/с мало.

Сделаны следующие выводы:

- значения интенсивностей световых потоков Ф^г), Ф2(г) первого и второго измерительных каналов соответственно зависят от расстояния Хо ;

- ширина «полки» (горизонтальная прямая, соединяющая точки зависимостей Ф^г) и Ф2(2), соответствующие 0,75*4 для первого измерительного канала и 0,25второго измерительного канала,

Чд -«21 ^х -4П -1С* 01Й сл* из аза од и;

Г, ММ

Х0 = 1,1 мм, Я= 0,2 мм

Ж»)

м'

— - - - — ! -

-- - - ] 1 - -

и

1 \

— __ __ / г А -

— У

^0.4 -ил "0.12 -<ш ~С!Ы аа Л14 033 ®33 ом и

Л"о= 1,2 мм, Я =0,2 мм

Л

} — — ([ V" — —

11 11 11

IV

!\ 1 \

—л 1, ! Хт.

0X1 0.« и 2, ММ

Х0 = 1,5 мм, Я = 0,2 мм

-04 -О» -02а -013 -о04 ОД) ом 0.23 ОЛ ОЛ 0.3

Ж 2, ММ

ОШ!

ш ошз от

Ч

• от сои ош

:1

ЯУ

I

-<1.4 -031 -«Я -«13 -ОМ ОШ 014 из 033 041 0.5 б Г, ММ

1,1 мм, //= 0,1 мм

п(1)

к — - у! --

>

- 1' \ —

Об - - -- : | _ -

СП — - -- |/-Г1 -V - —

-04 -«31 -031-О»-ем ОШ В14 СП 021 «41 «3

г, мм

Х0 = 1,2 мм, Я= 0,1 мм

ем

1

1 \

Ш2£ тя ■м

.АГ0 = 1,5 мм, Н= 0,1 мм

-1 ;

аи ( ■

ел г I

_ — - _ — - — -

ш

) '

•4.4 -«31 -03) -013 -ОМ и 1С 014 033 033 041 03

3 2, ММ

Рисунок 5 - Результаты математического моделирования в среде МАТНСАО

имеющие одинаковые значения) зависит от ширины Я отражающей поверхности аттенюатора и определяется независимостью сигналов измерительных каналов. Ширина «полки» Ь > 0,5определяется технологией сварного соединения.

Если аттенюатор установлен на расстоянии Х0, большем некоторого критического значения, то возникают «всплески» На участках, меньших 0,25с?с для первого и 0,75с/с второго измерительных каналов, данные всплески отсекаются конструктивным путем и не оказывают влияния на процесс преобразования информации.

Анализ результатов моделирования позволил выбрать оптимальные параметры ВОПП, например, для ОВ с/с= 200 мкм, ©^ =12 градусов: Н= с1й - 0,2 мм, Х0 = 6й?0 =1,2 мм. Выбранные параметры соответствуют графикам зависимостей, приведенным на рисунке 5,д

Предложена структурная схема ВОДЦ с отражательным аттенюатором, в которой осуществляется операция нахождения отношения разности электрических сигналов первого и второго измерительных каналов к их сумме, позволяющая компенсировать изменения мощности излучения светодиода и потери светового потока при изгибах волоконно-оптического кабеля (ВОК), так как их отношение не зависит от указанных факторов При этом наблюдается удвоение чувствительности преобразования и линеаризация выходной зависимости.

На рисунке 6 представлен основной узел ВОДЦ с отражательным аттенюатором - блок мембранный.

Блок мембранный состоит из корпуса, упругого элемента - мембраны с жестким центром (в качестве жесткого центра - аттенюатор).

Рисунок 6 - Мембранный блок ВОДЦ

Аттенюатор представляет собой пластину, имеющую поверхности с зеркальной и поглощающей частями. Зеркальная часть выполнена в виде горизонтальной полосы шириной Н, равной диаметру сердцевины с1с ОВ, и верхняя граница которой установлена относительно оптической оси ПОВ при 2 = 0 на расстоянии Н = (с!ов/2 — с!с/2). Аттенюатор жестко крепится к мембране посредством пайки.

Принцип действия датчика заключается в преобразовании величины избыточного давления Р, воспринимаемого упругим элементом, в изменение интенсивности оптического излучения и дальнейшего преобразования выходного сигнала датчика в стандартный токовый сигнал.

Разработана конструкция ВОДЦ с отражательным аттенюатором, реализующая основные положения диссертации

В четвёртой главе проведен метрологический анализ ВОДЦ с отражательными аттенюаторами, определены источники возможных погрешностей и разработаны способы их снижения.

В соответствии с метрологическими моделями реальная функция преобразования датчика будет иметь следующий вид.

Л = Лш(1+ 8РИИ)(Д1 + Кис)( 1 + 8ЯИ(:ХД2 + А3 + Ал + «1 + 8Кш)х

х(Д4 + Ясп)(1 + 5ЯСП)[(1 + 5Т1(ЩЛ5 + «1 + 5£„„)/>,

где Рт - мощность источника излучения; А1 - погрешность юстировки ИИ относительно ПОВ, Д2 - погрешность юстировки ПОВ относительно ИП; Д3 - аддитивная погрешность из-за неточности изготовления конструктивных элементов ИП; Д4 - погрешность юстировки ИП относительно ООВ; Д5 - погрешность юстировки ООВ относительно ПИ; Дб - погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ; Ад - погрешность линейности функции преобразования ИП, 5Рт - погрешность, обусловленная изменением мощности и диаграммы излучения ИИ при изменении температуры окружающей среды, напряжения питания и т.п; 8Кие, ЬКт - погрешности, обусловленные изменением светопропускания ПОВ и ООВ соответственно, при изгибах ВОК, воздействии ударов, вибрации, линейного ускорения и т.п.; дКт - мультипликативная погрешность ИП, обусловленная изменением параметров ИП при изменении внешних влияющих факторов (ВВФ); 5г|(А.) - погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ при изменении температуры окружающей сре-

ды; 85пи - погрешность от изменения интегральной токовой чувствительности.

Основные источники погрешностей - неточность юстировки ПОВ и ООВ относительно источников излучения и приемников излучения, изменение светопропускания ПОВ и ООВ соответственно при изгибах ВОК, воздействии ударов, вибрации, линейного ускорения Часть погрешностей может быть снижена в процессе сборки датчика точной юстировкой элементов конструкции. Многие погрешности носят систематический характер, поэтому могут быть учтены Часть погрешностей исключается при реализации дифференциальной схемы преобразования сигналов.

Разработана методика проведения экспериментальных исследований с использованием специально разработанного оптического тестера. На рисунке 7 приведен пример зависимостей мощности IV = при перемещении отражательного аттенюатора для различных вариантов исполнения ВОК (одно ПОВ и два ООВ, одно ПОВ и шесть ООВ - по три на каждый измерительный канал).

-поэмам

VI

Л N Ч\

\ч -

\ -

г>эо««о>я*>*>|

Рисунок 7 - Результаты экспериментальных исследований

Результаты экспериментальных исследований макетных образцов ВОПД и ВОДД подтвердили теоретические и расчетные положения диссертации. Основные технические характеристики разработанного ВОДД с отражательным аттенюатором приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Технические характеристики ВОДД с отражательным аттенюатором__

Диапазоны измерения, МПа (возможно расширение диапазона измерения за счет увеличения размеров мембраны) 0 0,49, 0,98,0 1,37,0 2,74

Выходной сигнал (постоянный ток), мА (возможен оптический выходной сигнал) 4 20

Основная приведенная погрешность, %, не более 1,0

Дополнительная приведенная температурная погрешность, %, не более (с учетом функции влияния температуры, %) в диапазоне температур, °С (возможно расширение диапазона измерения до + 150 °С) ВОДД сохраняет работоспособность при воздействии - вибрации частотой, Гц с ускорением, м/с2 - механического удара с ускорением, м/с2 длительностью импульса, мс при количестве ударов, не более 3,0 не более 0,5 ±50 10 5000 5 400 1000 1 5 9

Вероятность безотказной работы 0 99

Срок службы, лет, не менее И

Габаритные размеры, мм 034x45x40

Длина волоконно-оптического кабеля, м 2 200

В приложениях приведены программы и результаты расчетов параметров ВОПД, ВОПП и ВОДЦ на ЭВМ, конструкторская документация и фотографии экспериментального образца ВОДД, акты внедрения результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В работе изложены научно обоснованные новые технические решения ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами и ВОДЦ на их основе для искро-, взрывобезопасных ИИС, в том числе и для изделий ракетно-космической и авиационной техники. Принцип действия разработанного ВОДЦ основан на изменении интенсивности отраженного оптического сигнала при перемещении границы раздела поверхностей с разными коэффициентами отражения.

1 Разработанный способ измерения микроперемещений, заключающийся в том, что световой поток в виде пучка параллельных лучей направляют на перемещающуюся в поперечном направлении по-

верхность, имеющую отражающую и поглощающую части, вдоль направляющих полого усеченного конуса, позволил определить сечение равномерного распределения светового потока в пространстве ВОП и расстояние, на котором следует располагать отражательный аттенюатор относительно оптических волокон

2 Анализ установленных аналитических зависимостей между выходным и входным сигналами ВОП перемещения позволил решить задачу формирования в зоне измерения рационального пространственного распределения светового потока, обеспечивающего высокую чувствительность преобразования и линейность функции преобразования.

3 Анализ разработанных структурных схем, математических моделей и алгоритмов преобразования сигналов волоконно-оптических преобразователей перемещения и датчиков давления с отражательными аттенюаторами показал, что, изменяя определенным образом конструктивные параметры ВОП, можно добиваться высокой чувствительности преобразования при линейной функции преобразования.

4 Разработанная методика расчета основных конструктивных параметров волоконно-оптических преобразователей давления и перемещения с отражательными аттенюаторами и волоконно-оптических датчиков давления на их основе обеспечивает их оптимизацию и повышение метрологических характеристик датчика

5 Проведение математического моделирования в среде МАТНСАБ и обработка полученных результатов позволили определить оптимальные конструктивные параметры ВОПП, ВОПД и ВОДД, обеспечивающие высокую чувствительность преобразования оптических сигналов и линейность выходного сигнала.

6 На основе полученных обобщений и проведенных теоретических исследований разработаны и изготовлены макетные образцы волоконно-оптических датчиков давления с отражательными аттенюаторами.

7 Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей макетных образцов подтвердили теоретические положения диссертации.

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

1 Крупкина, Т. Ю. Распределение мощности светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя / Т. Ю Крупкина, Т И. Мурашкина, А. Г. Пивкин // Датчики и системы - 2005. -№ 8. - С. 5-7.

2 Крупкина, Т. Ю Оценка обусловленной дифракцией методической погрешности волоконно-оптических датчиков давления атте-нюаторного типа / Т. Ю. Крупкина, В И. Крючко, И. Н Баринов // Авиакосмическое приборостроение. - М.: Научтехлитиздат. - 2006. -№ 7. - С. 22-25.

3 Крупкина, Т Ю Распределение светового потока в волоконно-оптических преобразователях перемещения с отражающим управляющим элементом / Т. Ю. Крупкина, Н. П Кривулин, Л. Н Коломи-ец, Т. И. Мурашкина // Датчики и системы. - 2007. - № 6. - С 14-16

4 Крупкина, Т. Ю. Функция преобразования волоконно-оптических преобразователей перемещения с отражательным аттенюатором / Т. Ю Крупкина, Т И Мурашкина // Датчики и системы. - 2007. -№7.-С. 12-14.

Публикации в других изданиях

5 Крупкина, Т. Ю. Функции преобразования базовых атгенюатор-ных волоконно-оптических преобразователей перемещения с прямоугольным зеркалом / Т. Ю Крупкина, Т. И Мурашкина, А Г. Пивкин // Автоматизация и управление в технических системах межвуз сб. науч тр Вып 24. - Пенза • Инф.-изд центр, 2005. - С. 191-197.

6 Крупкина, Т. Ю Новый способ измерения микроперемещения и волоконно-оптический преобразователь перемещения для его осуществления /Т Ю, Крупкина, Т. И. Мурашкина, А. Г Пивкин : тр. меж-дунар. симпозиума «Надежность и качество» 22-31 мая 2006, Т. 1. -Пенза : Инф -изд. центр, 2006. - С 33-35.

7 Крупкина, Т Ю. Волоконно-оптический датчик избыточного давления аттенюаторного типа / Т. Ю. Крупкина, И. Н. Баринов . тр междунар. симпозиума «Надежность и качество» 22-31 мая 2006. Т. 1. - Пенза : Инф -изд центр, 2006. - С. 339-340

8 Крупкина, Т. Ю. Оптические аттенюаторы волоконно-оптических преобразователей / Т. Ю. Крупкина, А. Г. Пивкин : тр между-нар. симпозиума «Надежность и качество» 22-31 мая 2006. Т 1. -Пенза: Инф.-изд. центр, 2006. - С 342-344

9 Крупкина, Т Ю. Волоконно-оптический датчик избыточного давления отражательного типа. Описание конструкции. Принцип действия : тр междунар симпозиума «Надежность и качество» 22-31 мая 2006. Т 1 - Пенза : Инф.-изд центр, 2006. - С. 344-345.

10 Крупкина, Т Ю. Оценка обусловленной дифракцией методической погрешности волоконно-оптических датчиков давления атге-нюаторного типа / Т Ю. Крупкина, В. И. Крючко : тр. междунар. симпозиума «Надежность и качество» 22-31 мая 2006 Т. 1 - Пенза . Инф.-изд центр, 2006. - С. 345-347.

11 Крупкина, Т. Ю. Управление световым потоком в пространстве волоконно-оптических преобразователей перемещения элементом в виде отражающей поверхности / Т. Ю. Крупкина, Т. И. Мурашкина, Л. Н Коломиец, Н П. Кривулин . тр. междунар. симпозиума «Надежность и качество» 21-31 мая 2007. Т. 1. - Пенза : Инф.-изд. центр, 2007.-С. 337-339.

12 Крупкина, Т. Ю. Дифференциальный волоконно-оптический датчик давления с отражательным аттенюатором. Описание конструкции. Принцип действия / Т. Ю Крупкина, Т. И. Мурашкина : тр междунар. симпозиума «Надежность и качество» 21-31 мая 2007. Т. 1. - Пенза : Инф.-изд. центр, 2007. - С. 339-341.

13 Крупкина, Т. Ю. Вывод функции преобразования волоконно-оптических преобразователей перемещения / Т. Ю. Крупкина, Т. И. Мурашкина, Л. Н. Коломиец • тр. междунар. симпозиума «Надежность и качество» 21-31 мая 2007. Т. 1. - Пенза : Инф.-изд. центр, 2007. -С. 343-345.

14 Крупкина, Т. Ю Вывод функции преобразования дифференциальных волоконно-оптических преобразователей перемещения / Т. Ю Крупкина, Т. И. Мурашкина, Л. Н. Коломиец : тр. междунар. симпозиума «Надежность и качество» 21-31 мая 2007. Т. 1. - Пенза . Инф.-изд. центр, 2007 -С. 341-343.

15 Крупкина, Т. Ю. Установка для проверки волоконно-оптического датчика давления отражательного типа / Т. Ю. Крупкина, Т. И. Мурашкина // сб. докл. IV Междунар. науч.-техн. конф. «Метро-

логическое обеспечение измерительных систем» 2-5 октября 2007. -Пенза: Профессионал, 2007. - С. 182-186

16 Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом / Соиск Крупкина Т Ю. / Отчеты по проекту (промежуточные, годовые) от 27.06.2006 / 19 12 2006 / 20.06.2007 / 17.12 2007 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20062008 годы)» подраздел 2 12 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» № ГР 01.2.006 10437.

17 Пат 2308677 РФ, МПК6 в01 В 11/00. Волоконно-оптический преобразователь перемещения / А Г. Пивкин, Т. И Мурашкина, Т. Ю. Крупкина; опубл. 20.10 2007. Бюл. № 29.

18 Пат. 2308772 РФ, МПК6 в01 В 11/00. Волоконно-оптический преобразователь перемещения / А. Г. Пивкин, Т. И. Мурашкина, Т.Ю Крупкина, опубл 20 10.2007 Бюл. №29.

Крупкина Татьяна Юрьевна

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С ОТРАЖАТЕЛЬНЫМИ АТТЕНЮАТОРАМИ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05 11 16-Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Редактор В В Чувашова Технический редактор И А Вьялкова

Корректор Ж А Лубенцова Компьютерная верстка С П Черновой

ИД №06494 от 26 12 01 Сдано в производство 26 12 07 Формат 60х84'/16 Бумага писчая Печать офсетная Уел печ л 1,16 Заказ №426 Тираж 100

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

Введение.

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПРЕДМЕТА ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Обоснование выбора волоконно-оптических преобразователей давления с открытым оптическим каналом.

1.2 Обоснование выбора волоконно-оптических преобразователей давления с отражательным аттенюатором.

1.3 Классификация и обоснование выбора оптических аттенюаторов.

1.4 Обоснование выбора схем расположения оптических волокон в рабочем торце волоконно-оптического преобразователя давления с отражательным аттенюатором.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2 ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКАХ ДАВЛЕНИЯ С ОТРАЖАТЕЛЬНЫМИ АТТЕНЮАТОРАМИ.

2.1 Распределение светового потока в оптическом канале волоконно-оптического преобразователя от единичного волокна.

2.2 Математическое моделирование волоконно-оптического преобразователя перемещения с отражательным аттенюатором.

2.3 Вывод функции преобразования волоконно-оптических преобразователей давления и перемещения с отражательным аттенюатором.

2.4 Принцип действия и функция преобразования волоконнооптического датчика давления с отражательным аттенюатором.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3 ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

С ОТРАЖАТЕЛЬНЫМИ АТТЕНЮАТОРАМИ.

3.1 Элементная база волоконно-оптических датчиков давления.

3.2 Методика расчета конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя давления с отражательными аттенюаторами.

3.3 Особенности схемно-конструктивных решений и физической реализаций дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления с отражательными аттенюаторами.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

С ОТРАЖАТЕЛЬНЫМИ АТТЕНЮАТОРАМИ.

4.1 Определение источников погрешностей волоконно-оптических датчиков давления с отражательными аттенюаторами и разработка способов их уменьшения.

4.2 Описание структурной схемы и принципа действия измерительной установки.

4.3 Методика и результаты экспериментальных исследований макетных образцов волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления с отражательными аттенюаторами.

Выводы к главе 4.

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к современным информационно-измерительным системам (ИИС), являются повышенная надежность и точность измерений. При этом все чаще встречаются требования абсолютной искро- и взрывобезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех. ИИС на основе волоконной оптики в отличие от традиционных ИИС позволяют решить эти задачи. Применение волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД), отвечающих требованиям абсолютной искро- и взрывобезопасности, позволяет существенно повысить безопасность ИИС в целом.

Наиболее отработанными для применения в ИИС являются ВОДД отражательного и аттенюаторного типов. Основное преимущество ВОДД отражательного типа заключается в простоте конструктивного исполнения. В то же время подобные датчики обладают низкой чувствительностью преобразования из-за потерь светового потока в зоне измерения. Данный недостаток устранен в ВОДД с предельными аттенюаторами. Причем применение предельных аттенюаторов дает возможность дифференциального преобразования оптических сигналов, существенно улучшающего метрологические характеристики датчика, а именно, повышение чувствительности, линейности функции преобразования и снижение дополнительных погрешностей, обусловленных изменениями мощности излучения источника излучения и изгибами кабеля. В то же время необходимость точной юстировки оптических волокон (ОВ) относительно друг друга и предельного аттенюатора усложняет технологию изготовления датчика, что, в свою очередь, ведет к снижению точностных характеристик.

С учетом вышесказанного в работе решалась задача совмещения достоинств датчиков отражательного и аттенюаторного типов.

Теоретические предпосылки к решению данной задачи созданы трудами отечественных и зарубежных учёных: В.И. Бусурина, М.М. Бутусова, В.Д. Буркова, Ю.А. Гуляева, Е.А. Зака, Я.В. Малкова, Т.И. Мурашкиной, A.JI. Патлаха, В.Т. Потапова, Н.П. Удалова и др.

Создание ВОДД с отражательным аттенюатором с учетом пространственного распределения мощности светового потока в зоне восприятия измерительной информации и на основе оптимизации параметров новых математических моделей функций преобразования волоконно-оптического преобразователя давления (ВОПД) с отражательным аттенюатором представляет собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное социально-экономическое значение.

Цели и задачи исследований

Целью диссертационной работы является улучшение метрологических характеристик волоконно-оптических датчиков давления с отражательными аттенюаторами для искро-, взрывобезопасных информационно-измерительных систем.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: разработка и исследование новых конструктивных решений, структурных схем волоконно-оптических преобразователей (ВОП) давления и перемещения с отражательными аттенюаторами и волоконно-оптических датчиков давления на их основе с улучшенными метрологическими характеристиками; разработка алгоритмов преобразования сигналов ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами и ВОДД на их основе; установление и анализ аналитических зависимостей между выходным и входным сигналами ВОП перемещения с отражательным аттенюатором, сочетающим отражающую и поглощающие поверхности; проведение математического моделирования по определению оптимальных конструктивных параметров ВОПД с отражательными аттенюаторами; определение энергетических соотношений сигналов ВОДД, обеспечивающих искро-, взрывобезопасность ИИС; анализ метрологических моделей ВОДД с отражательными аттенюаторами; проведение экспериментальных исследований макетного образца ВОДД с отражательным аттенюатором для подтверждения теоретических и расчетных данных.

Методы исследований

При разработке математических и физических моделей ВОПД и ВОДД использовались основные теоретические положения оптики, аналитической геометрии. При решении задач по синтезу и анализу ВОПД и ВОДД использовались положения теории чувствительности, дифференциального и интегрального исчисления.

При проведении метрологического анализа использовалась теория статических предельных метрологических моделей линейных измерительных преобразователей.

Основные теоретические положения и результаты расчётов подтверждены экспериментальными исследованиями, а также созданием действующих макетных образцов ВОДД и проведением испытаний их в реальных условиях. При проведении экспериментальных исследований реализо-вывались положения теории измерений, планирования эксперимента и математической обработки результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) разработаны новые технические решения ВОДД с отражающими аттенюаторами, отличающиеся тем, что конструктивные параметры оптимизированы на основе разработанных критериев оптимизации. Это существенно улучшает метрологические характеристики датчика;

2) определено и исследовано аналитическое выражение функции преобразования оптических сигналов в ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами, впервые учитывающей распределение мощности светового потока в непосредственной близости от подводящего оптического волокна (ПОВ) и включающей конструктивные параметры отражательных аттенюаторов, влияющих на метрологические характеристики преобразователя и датчика в целом;

3) предложен новый способ измерения микроперемещения отражающих поверхностей относительно ОВ, который впервые учитывает особенности распределения светового потока в виде пучка параллельных лучей вдоль направляющих полого усеченного конуса с углом при основании, равным апертурному углу ОВ, и с толщиной стенки, равной диаметру сердцевины ОВ;

4) разработаны критерии оптимизации параметров ВОП, учитывающие требования независимости оптических сигналов двух измерительных каналов ВОП давления при достижении высокой чувствительности преобразования и линейности выходной характеристики. С учетом данных критериев проведен анализ результатов математического моделирования.

Практическая значимость работы

Практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» в форме гранта Федерального агентства по образованию, шифр РНП.2.1.2.2827, «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом» на базе кафедры «Приборостроение» ПГУ, договора № 389/3 от 30.10.05 (НИР «Волоконно-оптические средства измерения») между ОАО «НИИВТ» (г. Пенза) и ПГУ.

На защиту выносятся:

1) научно обоснованные технические решения ВОДД с отражательными аттенюаторами с улучшенными метрологическими характеристиками для искро-, взрыво-, пожаробезопасных информационно-измерительных систем;

2) математические модели и алгоритмы преобразования оптических сигналов в ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами с зеркальной и поглощающими частями (в виде горизонтальных полос);

3) способ измерения микроперемещения, учитывающий особенности распределения светового потока в пространстве зоны измерения и местоположение отражающих и поглощающих поверхностей ВОП давления;

4) результаты математического моделирования по определению оптимальных конструктивных параметров ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами, обеспечивающих высокую чувствительность преобразования оптических сигналов и независимость оптических сигналов двух измерительных каналов.

Реализация и внедрение результатов диссертации

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке ВОДД с отражательным аттенюатором, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании макетных образцов ВОДД с отражательными аттенюаторами для измерения избыточного давления в диапазонах 0.0,49, 0.Д98, 0.1,37, 0.2/74 МПа: шифр ВОДИД 002.

Материалы по проектированию и расчёту ВОДД с отражательными аттенюаторами использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», «Волоконно-оптические средства измерения», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы» для специальности 200100 «Приборостроение».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме докладывались и обсуждались на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу студентов, на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ПГУ (г. Пенза, 2005, 2006, 2007), Международных НТК «Датчики и системы» (г. Пенза, 2005), «Оптика и образование - 2006» (г. С-Петербург, 2006), на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2006, 2007), на IV Международной НТК «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (г. Пенза, 2007).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 работах, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России, 2 патента, 3 научно-технических отчёта.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, списка литературы, приложений. Основная часть изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 84 наименования. Приложения диссертации занимают 15 страниц.

Выводы ic главе 4

1 Проведен метрологический анализ ВОДД с отражательными аттенюаторами, определены источники возможных погрешностей и разработаны способы по их снижению. Основные источники погрешностей - неточность юстировки ПОВ и ООВ относительно источников излучения и приемников излучения, изменение светопропускания ПОВ и ООВ, соответственно, при изгибах ВОК, воздействии ударов, вибрации, линейного ускорения. Часть погрешностей может быть снижена в процессе сборки датчика точной юстировкой элементов конструкции. Многие погрешности носят систематический характер, поэтому могут быть исключены. Часть погрешностей исключается при реализации дифференциальной схемы преобразования сигналов.

2 Разработана методика проведения экспериментальных исследований с использованием специально разработанного оптического тестера. Разработана измерительная установка с оптическим тестером, с помощью которой снимались зависимости W=flZ) для каждого измерительного канала и W{Z)= JVi(Z)- JV2(Z). Анализ полученных зависимостей позволил сделать вывод: более линейные зависимости получаются в том случае, когда используется аттенюатор с горизонтальной полосой, в то же время принципиального отличия по линейности и чувствительности преобразования не наблюдается.

3 Для проведения экспериментальных исследований по разработанной конструкторско-технологической документации изготовлены лабораторные и макетные образцы ВОПД и ВОДД с отражательными аттенюаторами. Разработана экспериментальная установка для проведения экспериментальных исследований макетных

143 образцов ВОДД, с помощью которой снимались зависимости ижсп=/(Р) для одного измерительного канала, анализ которых показал:

- максимальное значение погрешности линейности |у|тах составляет

3%;

- чувствительность преобразования датчика dU\/dZ =0,17 В/кгс/см .

- при реализации алгоритма [ и\ (Р)- ^(Р)]/[ и\ (Р)+и\(РУ\ погрешность линейности не превысит 1,5 %, чувствительность преобразования составит приблизительно 0,34 В/кгс/см .

Заключение

В работе изложены научно обоснованные новые технические решения ВОП давления и перемещения с отражательными аттенюаторами и ВОДД на их основе для искри-, взрывобезопасных ИИС, в том числе и для изделий ракетно-космической и авиационной техники. Принцип действия разработанного ВОДД основан на изменении интенсивности отраженного оптического сигнала при перемещении границы раздела поверхностей с разными коэффициентами отражения.

1 Разработанный способ измерения микроперемещений, заключающийся в том, что световой поток в виде пучка параллельных лучей направляют на перемещающуюся в поперечном направлении поверхность, имеющую отражающую и поглощающую части, вдоль направляющих полого усеченного конуса, позволил определить сечение равномерного распределения светового потока в пространстве ВОП и расстояние, на котором следует располагать отражательный аттенюатор относительно оптических волокон.

2 Анализ установленных аналитических зависимостей между выходным и входным сигналами ВОП перемещения позволил решить задачу формирования в зоне измерения рационального пространственного распределения светового потока, обеспечивающего высокую чувствительность преобразования и линейность функции преобразования.

3 Анализ разработанных структурных схем, математических моделей и алгоритмов преобразования сигналов волоконно-оптических преобразователей перемещения и датчиков давления с отражательными аттенюаторами показал, что, изменяя определенным образом конструктивные параметры ВОП, можно добиваться высокой чувствительности преобразования при линейной функции преобразования.

144

4 Разработанная методика расчета основных конструктивных параметров волоконно-оптических преобразователей давления и перемещения с отражательными аттенюаторами и волоконно-оптических датчиков давления на их основе обеспечивает их оптимизацию и повышение метрологических характеристик датчика.

5 Проведение математического моделирования в среде MATKCAD и обработка полученных результатов позволили определить оптимальные конструктивные параметры ВОПП, ВОПД и ВОДД, обеспечивающие высокую чувствительность преобразования оптических сигналов и линейность выходного сигнала.

6 На основе полученных обобщений и проведенных теоретических исследований разработаны и изготовлены макетные образцы волоконно-оптических датчиков давления с отражательными аттенюаторами.

7 Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей макетных образцов подтвердили теоретические положения диссертации.

Работа обеспечивает создание и внедрение: волоконно-оптических датчиков давления с отражательными аттенюаторами для искро-, взрывобезопасных информационно-измерительных систем.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БИ - блок индикации

БП - блок питания

БПИ - блок преобразования информации

ВВФ - внешний влияющий фактор вод - волоконно-оптический датчик

ВОДД - волоконно-оптический датчик давления

ВЛ - волоконный лазер вок - волоконно-оптический кабель

ВОП - волоконно-оптический преобразователь

ВОПП - волоконно-оптический преобразователь перемещения

ВОПД - волоконно-оптический преобразователь давления воссд - волоконно-оптическая сеть сбора данных

ИИ - источник излучения

ИП - измерительный преобразователь

ИИС - информационно-измерительная система

ИК - измерительный канал

КАТ - космическая и авиационная техника

ЛД - лазерный диод

ЛФД - лавинный фотодиод

MX - метрологические характеристики

НИОКР - научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа

OA - отражательный аттенюатор

ОВ - оптическое волокно

ОК - оптический канал

ОКР - опытно-конструкторская работа

ООВ - отводящее оптическое волокно

146

OP - оптический разъем

ОЭБ - оптоэлектронный блок

ПВО - полное внутреннее отражение

ПИ - приемник излучения

ПОВ - подводящее оптическое волокно пп - показатель преломления р - разветвитель волоконно-оптический

РПИ - рабочий приемник излучения

СД - светодиод

СИД - светоизлучающий диод слд - суперлюминесцентный диод

СУ - согласующее устройство сэ - сенсорный элемент

ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения то - техническое описание тт - технические требования

ТУ - технические условия

УВД - установка для воспроизведения давления

УУ - управляющее устройство (устройство управления)

УЮ - узел юстировки

ФВ - физическая величина

ФД - фотодиод

ФП - функция преобразования чэ - чувствительный элемент

147

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

2. Азимов Р.К., Шипулин Ю.Г., Оптоэлектронные преобразователи больших перемещений на основе полых световодов М.: Знергоатомиз-дат,1987. - 56 е.: ил. - (Б-ка по автоматике; Вып. 664).

3. Аксененко М.Д., Бараночников M.J1. Микроэлектронные фотоприемные устройства. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 208 с.

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

5. Ахмадиев А.Т., Белоцерковский Э.Н., Патлах A.JI. Современное состояние и перспективы развития волоконно-оптических преобразователей уровня // Оптико-механическая промышленность. 1986. - № 6. - С. 51-55.

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

7. Бердичев Б.Е. и др. Состояние и перспективы развития оптоволоконных измерительных систем // Зарубежная электронная техника. 1987. - № 3.- С.3-68.

8. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. М.: Машиностроение, 1973. - 392 с.

9. Белоцерковский Э.Н. Многомодовые поверхностно-нерегулярные световоды и датчики физических и механических величин на их основе // Оптико-механическая промышленность. 1987.

10. Белоцерковский Э.Н., Патлах A.JI. Волоконно-оптические первичные преобразователи информации // Приборы и системы управления. 1988.- № 5. С. 20-22.

11. Букреев И.Н. и др. Волоконно-оптические датчики // Обзоры по электронной технике. Сер. 5. Радиодетали и радиокомпоненты / ЦНИИ "Электроника". 1984. - Вып. 1 (1027).

12. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат, 1990.1. V.

13. Ваганов В.И. Интегральные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983.- 136 с.

14. Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Оптика световодов. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1977. - 320 с.

15. Волоконная оптика и приборостроение / М.М. Бутусов, С.Г. Галкин, С.П. Орбинский, Б.П. Пал; Под общ. ред. М.М. Бутусова. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987. - 328 с.

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

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

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

19. Греченский Д.А., Патлах А.Л. Современное состояние и перспективы развития волоконно-оптических преобразователей механических величин// Оптико-механическая промышленность. 1983. - № 4. - С. 57-59.

20. Гридчин В.А., Драгунов В.П. Физика микросхем: Учеб. пособие. В 2ч. 4.1 Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 416 с.

21. Гольдфарб И.С. Характеристики передачи оптических кабелей при воздействии механических нагрузок // Электросвязь. 1980. - № 12. - С. 1619.

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

23. Дианов Е.М. и др. Радиационно-оптические свойства волоконных световодов на основе кварцевого стекла // Квантовая электроника. 1983. -№ 3. - С. 473 -496.

24. Дмитриев А.В. Волоконно-оптические преобразователи перемещений и параметров движения // Зарубежная радиоэлектроника. 1985. - № 5. -С. 64-70.

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

26. Задворнов С.А., Соколовский А.А. О пожаровзрывобезопасности волоконно-оптических гибридных измерительных систем// Датчики и системы. 2007.-№3. - С. 11-14.

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

28. Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин A.M., Полупроводниковые опто-электронные приборы: Справочник. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1997. - 227 с.

29. Интегральная оптика / Под ред. Т. Тамира.- пер. с англ. М.: Мир,1978.

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

31. Красюк Б.А., Корнеев Г.И. Оптические системы связи и световод-ные датчики. М.: Радио и связь, 1985.

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

33. Крупкина Т.Ю. Распределение мощности светового потока в про1. Т* Т/~\ ТЛ гр т Jстранстве волоконно-оптического преооразователя/ i.xv). Крупкина, 1.11. Мурашкина, А.Г. Пивкин// Датчики и системы. 2005 - №8. с.5-7

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

35. Патент РФ №2308677, МПК6 G01 В 11/00 Волоконно-оптический преобразователь перемещения/ А.Г. Пивкин, Т.И. Мурашкина, Т.Ю. Крупкина/ Опубл. 20.10.2007 Бюл.№29.

36. Патент РФ №2308772, МПК6 G01 В 11/00 Волоконно-оптический преобразователь перемещения/ А.Г. Пивкин, Т.И. Мурашкина, Т.Ю. Крупкина/ Опубл. 20.10.2007 Бюл.№29.

37. Крупкина Т.Ю. Волоконно-оптический датчик избыточного давления аттенюаторного типа/ Т.Ю. Крупкина, И.Н. Баринов// Труды международного симпозиума «Надежность и качество» 22-31 мая 2006 Том 1. Пенза: ИИЦ 2006 г., с.339-340

38. Крупкина Т.Ю. Оптические аттенюаторы волоконно-оптических преобразователей/ Т.Ю. Крупкина, А.Г. Пивкин// Труды международного симпозиума «Надежность и качество» 22-31 мая 2006 Том 1. Пенза: ИИЦ 2006 г., с.342-344

39. Крупкина Т.Ю. Волоконно-оптический датчик избыточного давления отражательного типа. Описание конструкции. Принцип действия// Труды международного симпозиума «Надежность и качество» 22-31 мая 2006 Том 1. Пенза: ИИЦ 2006 г., с.344-345

40. Крупкина Т.Ю. Оценка обусловленной дифракцией методической погрешности волоконно-оптических датчиков давления аттенюаторного типа/ Т.Ю. Крупкина, В.И. Крючко, И.Н. Баринов// Авиакосмическое приборостроение. Москва: «Научтехлитздат» 2006 - №7. с.22-25

41. Крупкина Т.Ю. Распределение светового потока в волоконно-оптических преобразователях перемещения с отражающим управляющим элементом/ Т.Ю. Крупкина, Н.П. Кривулин, J1.H. Коломиец, Т.И. Мурашки-на// Датчики и системы. 2007 - № 6. с.14-16.

42. Крупкина Т.Ю. Функция преобразования волоконно-оптических преобразователей перемещения с отражательным аттенюатором/ Т.Ю. Крупкина, Т.И. Мурашкина// Датчики и системы. 2007 - №7. с.12-14.

43. Крупкина Т.Ю. Функция преобразования дифференциальных волоконно-оптических преобразователей перемещения с отражательным аттенюатором/ Т.Ю. Крупкина, Т.И. Мурашкина, Л.Н. Коломиец// Датчики и системы. 2007 - № .с. (в печати)

44. Крупкина Т.Ю. Вывод функции преобразования волоконно-оптических преобразователей перемещения/ Т.Ю. Крупкина, Т.И. Мурашкина, Л.Н. Коломиец// Труды международного симпозиума «Надежность и качество» 21-31 мая 2007 Том 1. Пенза: ИИЦ 2007 г., с.343-345.

45. Мурашкина Т.И. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости// Радиотехника. 1995. - № 10. - С. 34-35.

46. Мурашкина Т.И. К вопросу применения терминов при проектировании волоконно-оптических средств измерения // Элементы и приборы систем измерения и управления автоматизированных производств: Межвуз. сб. науч.

47. ТТТТ л I I оттг> о • I 1атто т~>/"\/-» тгтт то 1 ООО п £0 пл

48. Л j-/. 5 JL/iullt ~Г HVXiOUt I ЮД-DV/ 1 iWllO, 1 у Xl~ J. СЛ.) 1 ~ V^ • \JS~ / T.

49. Мурашкина Т.И. Особенности построения амплитудных волоконно-оптических датчиков // Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. Всероссийск. науч.-техн. конф. 24-26 ноября 1998. Москва, 1998. - С. 185-186.

50. Мурашкина Т.И., Волчихин В.И. Амплитудные волоконно-оптические датчики автономных систем управления: Монография. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - 173 с.

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

52. Основы волоконно-оптической связи: Пер. с англ. / Под ред. Е.М. Дианова. М.: Сов. радио, 1980. - 232 с.

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

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

55. Пивкин А.Г. Математическая модель волоконно-оптического преобразователя аттенюаторного типа //Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: Науч. тр. Вып 6 (2003). - М.: МГУЛ, 2003. -С. 268274

56. Пивкин А.Г. Источники погрешностей дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления аттенюаторного типа и пути их уменынения // Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: науч. тр. Вып. 7 (2004). - М.: МГУЛ, 2004. - С. 268 - 274

57. Иванов, А.И. Аксенов, A.M. Юмин. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энерго-атомиздат, 1988. - 448 с.

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

59. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е.П. Осадчего. М.: Машиностроение, 1979.-480 с.

60. Распопов В .Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. М.: Машиностроение, 2007. 400 с.

61. Рождественский Ю.В., Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Волоконная оптика в авиационной и ракетной технике. М.: Машиностроение, 1977. -168 с.

62. Сайгел X. Потери в оптических волокнах, вызываемые сильными полями ионизирующего излучения. ТИИЭР. Тематический выпуск. Волоконно-оптическая связь, 1980. - т. 68. - вып. 10 - С. 81-85.

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

64. Теумин И.И., Попов С.Н., Мишнаевский П.А., Оввян П.П. Влияние изгибов и повивов на затухание многомодового волновода. ЖТФ, 1980. - № 7.

65. Теумин И.И. Дополнительные потери в оптическом кабеле. Электросвязь, 1980. - № 12. - С. 20-23.

66. Убайдуллаев P.P. Волоконно-оптические сети. М.: Эко-тренз, 1998. - 267 с.

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

68. Шлыков Г.П. Статические предельные метрологические модели линейных измерительных преобразователей. Серия "Метрологии", Вып.1:- Пенза: ПГУ, тгсЛ л/ггтг опт -OA п

69. XVWVjy • XYJ.VXVJ • ^ I Vt

70. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Советское радио, 1980.-392с.

71. Electromechanical sensors and transducers // Springer. 1998. - 398

72. Comparison of U.S. and Japanese efforts// Transactions of the Institute of Measurement and Control. 2000, p.p. 112-118.

73. Dakin J. P. Principles and applications of optical fibre sensors // Sys. Technol. 1984. - № 38. - P.P. 41-47.

74. Elazar J., Selmic S., Prokin Milan A fibre-optic displacement sensor for a cyclotron environment based on a modified triangulation method // Pure and Applied Optics. 2002, p.p. 347-354.

75. Optical sensors technologies // Transactions of the Institute of Measurement and Control. 2000, p.p. 3-17.