автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Волоконно-оптические вибродатчики с шарообразным модулирующим элементом для информационно-измерительных систем

На правах рукописи

ЗУЕВ Вячеслав Дмитриевич

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ВИБРОДАТЧИКИ С ШАРООБРАЗНЫМ МОДУЛИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ОКТ 2СЭД

ПЕНЗА 2009

003480741

Работа выполнена в научно-техническом центре «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» на кафедре «Приборостроение» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Татьяна Ивановна Мурашкина

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Петр Петрович Макарычев;

кандидат технических наук, доцент Анатолий Иванович Агафонов

Ведущая организация: НИИ космических систем,

г. Юбилейный Московской обл.

Защита диссертации состоится 5 ноября 2009 г. 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 «_»_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

А. В. Светлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из основных негативных факторов, воздействующих на летательные аппараты в полете и, что более важно, на полезную нагрузку, является вибрация. Важными требованиями, предъявляемыми к системе измерения вибрации, являются обеспечение безопасности и высокая точность измерения. Этим требованиям наилучшим образом отвечают волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС), разработки которых в настоящее время ведутся интенсивными темпами. Они отличаются повышенной искро-, взрывобезопасностью и помехозащищенностью. Внедрение ВОИИС необходимо также для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту космических аппаратов и ракетоносителей.

Основные теоретические положения для создания ВОИИС и волоконно-оптических датчиков (ВОД) изложены в трудах отечественных и зарубежных ученых: В. М. Бусурина, М. М. Бутусова, Ю. А. Гуляева, И. И. Гроднева, Е. А. Зака, М. П. Лисицы, В. М. Гречишникова, Я. В. Малкова, Т. И. Мурашкиной, А. Л. Патлаха, Н. П. Удалова и др. В то же время в известной научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования волоконно-оптических вибродатчиков (ВОВД) для изделий, эксплуатируемых в специальных условиях ракетно-космической и авиационной техники (РКТ и АТ). Отечественные ВОВД реализованы на функциональном или принципиальном уровнях, практически не адаптированы к ВОИИС для изделий РКТ и АТ. Существенным недостатком известных технических решений ВОВД является низкая чувствительность преобразования оптического сигнала и низкая точность измерения из-за нерационального использования светового потока в пространстве измерительного преобразователя и возможностей оптической системы ВОВД.

При проектировании ВОВД необходимо учитывать влияние на результат измерения изгибов оптических волокон, для чего наиболее перспективным является применение дифференциальной схемы преобразования оптического сигнала. Поэтому определение оптимального расположения элементов оптической системы, обеспечивающего рациональное использование оптической мощности в оптической системе измерительного преобразователя, получение общих и частных математических моделей функций преобразования, разработка технических решений дифференциальных ВОВД для ВОИИС изделий РКТ и АТ представляют собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное народно-хозяйственное значение.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является научное обоснование и исследование оптической системы измерительного преобразователя дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, используемых в информационно-измерительных системах шделий ракетно-космической и авиационной техники.

Научная задача, решаемая в работе, - моделирование и конструирование новых измерительных преобразователей дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала при изменении кривизны границы раздела сред, вызванном перемещением шарообразного модулируюгцего элемента под действием измеряемой физической величины.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- определение требований, предъявляемых к ВОВД информационно-измерительными системами ракетно-космической и авиационной техники;

- разработка математических моделей и алгоритмов преобразования сигналов в дифференциальном ВОВД с шарообразным модулирующим элементом (МЭ);

- формализация процесса распределения светового потока в пространстве волоконно-оптического вибропреобразователя (ВОВП) с шарообразным МЭ;

- оптимизация конструктивных параметров ВОВП, обеспечивающих дифференциальное преобразование светового потока, максимальную глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала;

- разработка конструкции дифференциального ВОВД с шарообразным МЭ, в котором уменьшено влияние изменения мощности оптического излучения источника излучения и механических деформаций волоконно-оптического кабеля (ВОК);

- проведение экспериментальных исследований изготовленного экспериментального образца дифференциального ВОВД для подтверждения теоретических положений диссертации.

Методы исследований. Разработка математических моделей дифференциального ВОВД основывалась на положениях геометрической оптики и методах математической физики. При решении метрологических задач использовались основные положения теории чувствительности, погрешностей, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях были применены положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны новые технические решения ВОВД, отличающиеся тем, что они реализуют новый способ измерения параметров вибрации с применением шарообразной линзы, выполняющей одновременно функции модулирующего, фокусирующего и инерционного элемента, а также управляющего элемента, обеспечивающего дифференциальное преобразование оптического сигнала непосредственно в зоне восприятия измерительной информации.

2. Разработаны математические модели и алгоритмы преобразования сигналов в ВОВД с открытым оптическим каналом, отличающиеся тем, что они разработаны для условий дифференциального преобразования оптических сигналов с учетом структуры пучка света, сформированного излучающим торцом подводящего оптического волокна, особенностями нового взаимного

пространственного расположения оптических волокон в торцах волоконно-оптического кабеля и относительно модулирующего элемента.

3. Разработана методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОВП, доказывающая реализуемость дифференциального преобразования с помощью одного и того же модулирующего элемента (шаровой линзы), когда верхняя и нижняя половины линзы преобразуют ее перемещение в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения в двух измерительных каналах, снижая дополнительные погрешности от воздействия дестабилизирующих факторов.

4. Получены результаты графоаналитического машинного эксперимента по новой математической модели и практического эксперимента дифференциального ВОВД на новой установке, задающей перемещения шарообразной линзы относительно торцов оптических волокон (ОВ).

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение» в НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем», и способствует решению актуальной научно-технической задачи моделирования и конструирования новых измерительных преобразователей дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала при изменении кривизны границы раздела сред, вызванном перемещением шарообразного модулирующего элемента под действием измеряемой физической величины.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, создание макетных образцов позволяют перейти к промышленному производству и внедрению дифференциальных ВОВД на изделиях РКТ и АТ.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках аналитических ведомственных целевых программ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008, 20092010 гг.)» в форме грантов Федерального агентства по образованию «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом» (шифр РНП.2.1.2.2827) и «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами» (№ 2.1.2/937), договора от 30.10.2005 г. № 389/3 (НИР «Волоконно-оптические средства измерения») между ОАО «НИИВТ» (г. Пенза) и ПГУ.

На защиту выносятся:

1. Научно обоснованные технические решения по созданию дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, технические характеристики которых отвечают перспективным требованиям информационно-измерительных систем изделий ракетно-космической и авиационной техники, реализующие новый способ измерения параметров

вибрации с применением шарообразной линзы, выполняющей одновременно функции модулирующего, фокусирующего и инерционного элемента, а также управляющего элемента, обеспечивающего дифференциальное преобразование оптического сигнала непосредственно в зоне восприятия измерительной информации.

2. Математическая модель оптико-механической системы волоконно-оптического вибропреобразователя с модулирующим, фокусирующим и инерционным элементом в виде шарообразной линзы, обеспечивающая достижение максимальной чувствительности преобразования оптического сигнала.

3. Методика определения параметров оптико-механической части ВОВП.

4. Результаты графоаналитического машинного и практического экспериментов ВОВД.

Реализация и внедрение результатов диссертации. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использованы при разработке дифференциального ВОВД, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании экспериментальных образцов дифференциальных ВОВД (шифр «ВОВД-НАНОТЕХ»).

Разработана лабораторная установка для определения конструктивных параметров оптической системы дифференциального ВОВД.

Элементы теории проектирования, материалы по расчету дифференциального ВОВД использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами», НОТ «Устройства сбора и обработки данных в информационно-измерительных системах», «Волоконно-оптические средства измерения», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы» кафедры «Приборостроение» Пензенского государственного университета.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме докладывались на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2008, 2009), X Международном салоне «Двигатели-2008» (г. Москва, 2008), Международной выставке «НеПги531а-2008» (г. Москва, «Экспо-Крокус», 2008), I и II инвестиционных форумах Пензенской обл. (г. Пенза, 2007, 2008), Международной научно-практической конференции «Перспективные технологии искусственного интеллекта» (г. Пенза, 2008), I Российском инвестиционном форуме «Российским инновациям — российский капитал» и IV ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Чебоксары, 2008), II Российском форуме «Российским инновациям -российский капитал» и VII ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Саранск,

2009), IX Московском Международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2009, отмечен дипломом и серебряной медалью).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 работах, в том числе одна - в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК России, 1 патент на изобретение РФ, 4 научно-технических отчёта.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, шести приложений. Основная часть изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 44 рисунка, две таблицы. Список литературы состоит из 76 наименования. Приложения к диссертации занимают 12 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен анализ состава средств измерений параметров ракетного двигателя «РД 180» для первой ступени ракетного комплекса «Атлас», который показал, что датчики измерения параметров вибрации в составе информационно-измерительной системы составляют порядка 20 % от общего количества средств измерения параметров двигателя.

Определены требования к разрабатываемым ВОВД. Определяющим параметром для авиационного, ракетного и космического оборудования является относительная масса оборудования (примерно 50...70 % - это масса аппаратуры), которая лежит в пределах 0,14...0,08 % у пассажирских самолетов, истребителей и истребителей-бомбардировщиков с турбореактивными двигателями и падает до 0,02...0,001 % для космических ракет. При расположении измерительной аппаратуры на обшивке следует учитывать аэродинамический нагрев до 423...573 К (в зависимости от скорости). К космической и ракетной аппаратуре предъявляется ряд особых требований, связанных с высокой безотказностью их работы, большими ударными нагрузками и совместным воздействием вибрации и линейных ускорений при старте. Это также работа в условиях термоударов на поверхности обшивки, длительная сохранность при многолетнем хранении и особая ограниченность объема и массы из-за минимизации стартового веса носителя. При выборе систем защиты от вибрации следует учитывать собственную частоту колебания датчика и0 характерных элементов: конструкция корпуса - 1...150 Гц, значение собственной частоты колебания датчика ио бортовой аппаратуры выбирают из условия 25 < и0 < 100 Гц.

Проведен анализ известных технических решений вибродатчиков, который показал, что в настоящее время отсутствуют простые, малогабаритные, средства измерения вибраций, позволяющие с высокой

точностью проводить измерения в жестких условиях эксплуатации и не отвечающие перспективным требованиям PKT. Сделан вывод, что для повышения надежности ВОИИС необходимо разрабатывать ВОДВ с открытым оптическим каналом, в которых исключаются изгибы оптического волокна. Для этого предложен новый способ измерения параметров вибрации, основанный на регистрации изменения интенсивности светового потока, фокусирующегося на отводящих оптических волокнах шарообразной линзой, перемещающейся под воздействием измеряемой ФВ и жестко связанной с упругими подвесами. Для модуляции интенсивности оптического сигнала используется зависимость значения угла преломления падающего на линзу луча от изменения кривизны поверхности линзы (границы сред) при ее перемещении относительно оптических волокон.

В соответствии с вышеизложенным обоснован предмет исследований: ВОВД с шарообразным модулирующим элементом для ВОИИС изделий РКТ и AT.

Определено, что в разрабатываемом ВОВД шарообразная линза выполняет функции оптического модулятора, изменяющего параметры оптического сигнала в зависимости от измеряемой физической величины, и фокусирующего элемента, снижающего потери светового потока в пространстве оптической системы.

Проведена формализация описания процесса распределения светового потока в ВОВД. Для этого рассмотрено, как луч распространяется с излучающего торца подводящего оптического волокна (ПОВ) до приемного торца отводящего оптического волокна (ООВ).

Во второй главе для построения математической модели оптической системы определены координаты точки М\{хи zО в векторной форме

ОМ{ =

±^-|о'л/0|2+(о'м0-/)2-

OMQ-1

I + OMq , а также угол падения

а] и угол отражения (З], которые составляют падающий луч с вектором нормали

р] = агсБШ

касательной плоскости 7i

1-ОМ

(рис. 1).

Найдены

М2(х2>У2>г2)

О'М,

% «2

Ш|

координаты точки выхода из шарообразной линзы как координаты радиуса вектора точки М:

О М 2 = А-О М\+0 Mi, где А - матрица вращения:

\2_й2_и2+р2

2(fyi + up) 2(oÄ. - (Lip)

- ир) ц2-и2-?.2+р2 2(ци + Я.р)

2(vX + цр) 2(ци-^р) о2-Л2-ц2+р2

Рисунок 1 - Ход луча в волоконно-оптическом вибропреобразователе

Найдено направление вектора /||М2Мо вращением вектора ОМ2 на угол л-а! вокруг направленной оси, определяемой вектором

I I _

с = [°МЪММ2~\ ^ хогда I = А-О М2, найдено изображение точки М0(х0, у0, ~0) -

[ОМиММ2]

точка М0(х0,у0,~0) в плоскости С как точка пересечения прямойМ2М0 ||/, где

/ - направляющий вектор прямой М2М:

х0 = 100,+10'0"> .с2,

Уо=~г-(1оо' +Ьо«~х1) + Уъ

= + ¡О'О" ~ хг) + 22>

с\

-- ^ I + / I и — X ' _

или в векторной форме ОМ$ = --—с + ОМ2.

Построена математическая модель измерительного канала ВОВП с МЭ в

виде шарообразной линзы Ф(г) = || ¡(ОМ, где г = г' - центр

ООУ

шарообразной линзы; ООУ - область плоскости торца отводящего оптического волокна;

1(ОМ 0) =

О, ом0 - ом ДОМо),

ОМ0 - ОМ

где ОО (Iqq* +/о.о»Д0) - радиус-вектор центра О" ООВ; f(OMо) - функция яркости в точке Mq после прохождения шарообразной линзы.

В среде MathCAD разработана программа «Моделирование распределения светового потока в пространстве ВОВП с модулирующим элементом в виде шарообразной линзы». При математическом моделировании изменялось расстояние между торцом ПОВ и поверхностью шарообразной линзы, поверхностью линзы и торцом ООВ, а также радиус шарообразной линзы. Определено, что расстояние ¡ov связано с диаметром сердцевины оптического волокна dc следующим соотношением: Iq'O" = 9í/c •

Анализ результатов моделирования позволил выбрать оптимальные параметры ВОВП, например, для ОВ с параметрами dc = 0,2 мм, 0дiA = 14 градусов передача максимально возможной мощности излучения светового потока в зону преобразования оптического сигнала ВОВП достигается при следующих конструктивных параметрах: радиус шарообразной линзы гл = 0,75 мм; расстояние между ПОВ и центром линзы loo- = 1,8 мм; расстояние между центром линзы и ООВ lov= 1,5 мм (рис. 2,а).

0-18 -015 -012 " 0.09 ■

-0^3í0 48-0.42tl36-0.3-0.240 18-0 12-006 0 0.06 012 018 0 24 0.3 0.36 0.42

X

а) ^ = 0,75 мм; 1оо,= 1,8 мм; lov"~ 1>5 мм

009 -0 0? -0.07 ' 0.06 • 0 05 0.04 • о.оз •• 0 02 ' 0.01

-O.6-O.54-0.4S-0.42-0.36-O.3-024O.18-0.12-0.0Í 0 0.060.120.1Ш4 0.3 0.360.420.4«

б) г л = 0,75 мм; loo'~ 1 мм; 1оо"~ 1 мм

Рисунок 2 - Результаты математического моделирования в среде MathCAD

При остальных параметрах наблюдаются потери светового потока в начальном положении МЭ в виде шарообразной линзы. Смещение линзы по оси 2 в обоих направлениях вызывает симметричное изменение зависимости.

Построена математическая модель механической части ВОВП с МЭ в виде шарообразной линзы. Рассмотрены параметры упругих элементов и их влияние на значение перемещения МЭ под действием внешнего ускорения при заданных ограничениях (рис. 3).

Расчет перемещения линзы осуществлен в следующей последовательности:

1. Составлена схема преобразователя и сделаны допущения относительно условий его работы: перемещение подвижных деталей происходит в плоскости 2Х, жесткость упругих элементов вдоль оси V выбирается большой и обеспечивает нечувствительность датчика в этом направлении; упругие элементы представляют собой балки постоянного сечения; движущей силой является сила инерции трение при обкатке линзы по упругим элементам не учитывается вследствие его малости.

2. Определены силы, действующие на шаровую линзу.

3. Составлено уравнение движения МЭ:

<¿2

т—+5*, +5А2 -Щ$тщ-Н25та.2> С1)

сЬ

где т - масса линзы; - силы инерции, приложенные к упругим

элементам в центре масс; - сила инерции, приложенная в центре линзы (центре масс); аь а2 - углы изгиба первого и второго упругого элемента.

4. Оценено число неизвестных в полученном уравнении (1) и составлены дополнительные уравнения по числу неизвестных.

5. Определен отклик системы на внешнее воздействие, которое задается скоростью корпуса датчика:

Z- A cos kt + В sin kt = -^cos2 kt - cos kt cos kt{) + sin2 kt - sin kt sin kt() J = К

v = -Ak sin kt + Bk eos kt = \-k

—— ( cos2 kt - cos ktQ j sin kt +

+—|sin2Áí-sinto0 jcosftí

= -sink(t-t0).

6. Выбраны параметры преобразователя (геометрические размеры, механические свойства материала), при которых обеспечивается заданное перемещение МЭ под воздействием вибрации.

Разработана программа «Определение конструктивных параметров упругого подвеса ВОВП с МЭ в виде шарообразной линзы», реализованная в среде МаШСАБ. Результаты моделирования представлены на рис. 4.

а) задаваясь жесткостью к, определяется максимальное перемещение линзы z

б) по значению жесткости к, выбирается ширина пружины b

0.23. 0.21 j 015: 0.17 ai5j

«1)013 0.11

0.07

aos

15 30 45 m 75 90 10.5 120 135 150

1

0.14 0 15 0 16 0.17 0.18 02 0.21 0.22 0.23 0 2 4 025 1

в) по значению жесткости пружины к находится длина / и высота /г пружины Рисунок 4 - Результаты математического моделирования в среде МаЛСЛИ

Анализ полученных зависимостей позволил выбрать параметры упругого подвеса, обеспечивающие требуемое смещение модулирующего элемента относительно торцов оптических волокон.

В третьей главе обоснована применимость дифференциального преобразования оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительной информации для улучшения метрологических характеристик.

Разработана методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОВП. Доказана реализуемость дифференциального преобразования с помощью одного и того же модулирующего элемента (шаровой линзы), когда верхняя и нижняя половины линзы преобразуют ее перемещение в изменение интенсивности оптического сигнала в первом и втором измерительных каналах от одного и того же источника излучения.

Определены критерии оптимизации параметров ВОВП, реализующего

дифференциальную схему преобразования оптических сигналов: т( -линейность функции преобразования; т2 - чувствительность преобразования,

Т3 - глубина модуляции оптических сигналов.

Целью исследования распределения светового потока в пространстве ВОВП является установление зависимости между интенсивностью оптического сигнала, параметрами оптической системы, в том числе конструктивными параметрами ВОВП (см. рис. 2). Этими параметрами являются показатели преломления среды пСр (между ПОВ и линзой, линзой и ООВ) и коэффициент преломления МЭ пл, в которую помещена шарообразная линза, расстояние от торца ПОВ до поверхности шарообразной линзы /ь расстояние от поверхности шарообразной линзы до приемного торца ООВ 12, радиус линзы гд и расстояние Б между оптическими осями ООВ:

/ _ плгл г О.Н , "л'л „ ,

£> =

V

"Л^Л ±у ГлБШЮ

~вых

2(ил-1) ' БШ©

1§®вых или

£> =

' Ллгл 4- 01Я'ПУ

Ш©вых>

ч2(ил-1) \фт ЯП0ВЫХ/ где X,, - перемещение шарообразной линзы по осям X и 2, соответственно,

©ВЫХ = агс^п

ГдвШу^

Пп БШ 6 . „ ИррБШф . /бн1©дм Б1П у = ——-БтР = -^-Б1П ф — -—

"СР "л 'л

/

/— фокусное расстояние линзы.

В случае перемещения шарообразной линзы в направлении X учитывается увеличение расстояния между излучающим торцом ПОВ и шарообразной линзой:

, 01___^с

21В©^

В четвертой главе определено, что по виду входных и выходных сигналов интерфейса, соединяющего вибродатчик с внешней регистрирующей аппаратурой ВОИИС РКТ и АТ, ВОВД делят на два типа: с электрическим и оптическим интерфейсами. Разработана структурная схема дифференциального ВОВД (рис. 5).

БП - блок питания ИИ - источник излучения УЮ1, УЮ2, УЮЗ - узлы юстировки ОР1, ОР2, ОР 3- оптические разъемы ПОВ - подводящее оптическое волокно МЭ - модулирующий элемент ООВ1, ООВ2 - отводящие оптические волокна

ВОВП - волоконно-оптический вибропреобразователь

БПИ - блок преобразования ДН - делитель напряжения МП - масштабный преобразователь ОЭБ - оптоэлектронный блок ВОК - волоконно-оптический кабель ПИ1, ПИ2 - приемники излучения ПТН1, ПТН2 - преобразователи «фототок-напряжение»

Рисунок 5 - Структурная схема дифференциального ВОВД

ВОВД работает следующим образом. Под действием вибрации происходит перемещение МЭ (шарообразной линзы) и, соответственно, изменение интенсивности оптического сигнала. Световые потоки Ф,(а) и Ф2(а), прошедшие через шарообразную линзу, по ООВ первого и второго измерительных каналов соответственно поступают на приемники излучения ПИ1 и ПИ2 первого и второго измерительных каналов соответственно через оптический разъем ОР1 и ОР2, где преобразуются в эквивалентные фототоки 1\(а) и 12(а), которые преобразуются в напряжение [/¡(а) и 1/2(а) с помощью преобразователей «фототок-напряжение» первого и второго измерительных каналов соответственно, сигналы £А(а) и и2(а) усиливаются до необходимого

значения. На выходе ПТН1 и ПТН2 получаются напряжения, по амплитуде которых можно судить о наличии вибрации в зоне измерения.

Модель функции преобразования дифференциального ВОВД представляет собой зависимость тока приемника излучения (ПИ) / от вибрации «а» и множества внешних факторов

где /]1И - мощность светового потока ИИ; г](л)- коэффициент спектрального согласования элементов ВОВД; ) - функция преобразования ВОВП;

¿>ПИ - интегральная токовая чувствительность ПИ.

Выведены функции преобразования первого и второго измерительных каналов дифференциального ВОВП:

1 канала . „2 i 2r\ ± 2г\

0ВХ2-г§ ©ВХ1

л .а . ( . a N

—arcsin--sin arcsin—

90 2R { 2Rt

rl

л . a -arcsin--sin

90

2 rr

arcsin-

2rr

с y

где Щ канал

2 канал

AB = 2-

D + X

¿-R2

2 2-(DTZ)

При обработке сигнала с дифференциального ВОВД целесообразно

сформировать отношение разности сигналов на выходе каналов к их сумме:

1(а,Ь\ -1( а,Ь).

/] канала v >2 канала

l(a,b), +l(a,¿X

\ >\ канала \ '2 канала

В этом случае наблюдается удвоение чувствительности преобразования, снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности излучения ИИ и чувствительности ПИ, т.к. данные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в каналах, которые не влекут изменения отношения сигналов.

Общий вид разработанного дифференциального ВОВД представлен на рис. 7.

Дифференциальный ВОВД состоит: из шарообразной линзы 1, закрепленной на упругих подвесах 2, которые устанавливаются в корпусе 4 при помощи крышки 3 и крепежей 5; волоконно-оптического кабеля 8, содержащего подводящее оптическое волокно ПОВ (пучок 1), отводящее оптическое волокно ООВ (пучок 2), которые жестко закреплены в наконечниках 7 на расстоянии l¡ и /2 относительно шарообразной линзы; втулки 6; фотоблока (фотодиоды 10 и светодиод 9).

Рисунок 7 - Общий вид дифференциального ВОВД

В качестве упругих подвесов используется плоская пружина с отверстием для крепления линзы, обладающая более высокой чувствительностью к нагрузкам по сравнению с упругими подвесами других типов. Так как дифференциальный ВОВД работает при переменных механических напряжениях, в широком температурном диапазоне с циклическим изменением температуры окружающей среды, то упругий подвес выполнен из стали 36НХТЮ.

Изготовлены экспериментальные образцы ВОВП, прошедшие экспериментальные исследования для подтверждения результатов теоретических исследований и подтверждения соответствия технических характеристик ВОВД требованиям, предъявляемым со стороны изделий ВОИИС РКТ и АТ.

Экспериментальные зависимости приведены на рис. 8.

800

700

600

„ 500 аз

^ 400 о

= 300 200 100 0

1)ср, мВ | Уапр I

0 50 100 150 200 250 мкм

Рисунок 8 - Графики Цмсп =/(г) и 1/апр

Анализ экспериментальной зависимости {/эксп = /(2) показал, что максимальное значение погрешности линейности |у|тах составляет 0,7 %, чувствительность преобразования датчика <ИЛй2 = 0,6 мВ/мкм, дополнительная

приведенная температурная погрешность 1...2 % (у аналогов 2...5 %), что отвечает требованиям, предъявляемым к системе измерения вибрации на изделиях, эксплуатируемых в специальных условиях ракетно-космической и авиационной техники.

В заключении отмечается, что в работе изложены научно обоснованные новые технические решения ВОВД, имеющие улучшенные эксплуатационные характеристики, внедрение которых позволит создать ВОИИС на изделиях РКТ и АТ.

В приложениях приведены программы для определения конструктивных параметров оптико-механической системы ВОВП ВОВД на ЭВМ, чертежи конструкции и фотография экспериментального образца ВОВД, технические характеристики экспериментального образца ВОВД, акты внедрения результатов диссертации на предприятиях космической отрасли и оборонного комплекса, в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В работе изложены научно обоснованные новые технические решения по созданию дифференциальных ВОВД, в которых используется шаровая линза, выполняющая одновременно функции модулирующего, фокусирующего и инерционного элемента, а также управляющего элемента, обеспечивающего дифференциальное преобразование оптического сигнала непосредственно в зоне восприятия измерительной информации, и внедрение которых позволит создать искро-, взрыво-, пожаробезопасные ВОИИС для изделий РКТ и АТ.

1. Определены требования к волоконно-оптическим датчикам со стороны информационно-измерительных систем.

2. Разработана математическая модель оптико-механической системы ВОВП с модулирующим, фокусирующим и инерционным элементом в виде шарообразной линзы, которая отличается тем, что в ней учтена структура пучка света, сформированного излучающим торцом подводящего оптического волокна (ПОВ) и особенности взаимного пространственного расположения оптических волокон и модулирующего элемента и построена с учетом требований ВОИИС РКТ по достижению максимальной чувствительности преобразования оптического сигнала и ограничений на перемещение оптического модулирующего элемента относительно оптических волокон.

2. Разработана методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОВП, которая доказывает реализуемость дифференциального преобразования с помощью одного и того же модулирующего элемента (шаровой линзы), когда верхняя и нижняя половины линзы преобразуют ее перемещение в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения в двух измерительных каналах.

3. Разработаны структурные и математические модели дифференциального ВОВД, анализ которых показал, что, изменяя

конструктивные параметры ВОВП (радиус шарообразной линзы, расстояние между ПОВ и центром линзы; расстояние между центром линзы и ООВ, а также геометрические параметры пружин), можно целенаправленно изменять распределение светового потока в зоне восприятия измерительной информации, добиться требуемых значений вносимого затухания, максимальной чувствительности преобразования.

4. Разработана методика расчета конструктивных параметров ВОВП, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в оптическом модулирующем элементе - шарообразной линзе.

5. Разработана конструкция ВОВП в виде шарообразной линзы, закрепленной, например, при помощи двух плоских пружин, обеспечивающая максимальную чувствительность преобразования и минимальные потери оптического излучения в зоне измерения.

6. Снижены в два раза погрешности волоконно-оптического вибропреобразователя, обусловленные следующими причинами: изменением мощности источника излучения, чувствительности приемников излучения при изменении температуры окружающей среды. Дополнительная приведенная температурная погрешность 1.. .2 % (у аналогов 2.. .5 %).

7. Разработан и изготовлен, на основе полученных обобщений и проведенных теоретических исследований, экспериментальный образец дифференциального волоконно-оптического вибропреобразователя, прошедший экспериментальные исследования с помощью разработанной установки, имитирующей виброперемещение. Результаты показали, что чувствительность преобразования увеличена в два раза по сравнению с аналогами (с\UldZ = 0,6 мВ/мкм, у аналогов 0,2...03).

8. Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей экспериментального образца дифференциального ВОВД подтвердили теоретические положения диссертации.

9. Результаты диссертационной работы рекомендуются для использования при проектировании и конструировании новых средств измерения: дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической и авиационной техники.

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

1.3уев, В. Д. Волоконно-оптический преобразователь перемещений со сферической линзой / В. Д. Зуев, Н. П. Кривулин, Т. И. Мурашкина // Датчики и системы.-2008.-№5.- С. 8-10.

Публикации в других изданиях

2. Зуев, В. Д. Математическая модель волоконно-оптического преобразователя перемещения с управляющим элементом в виде сферической линзы / В.Д. Зуев, Т.П. Мурашкина // Авиакосмическое приборостроение. -2008,-№5.-С. 45^8.

3. Зуев, В. Д. Методика определения конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя с управляющим элементом в виде шаровой линзы / В. Д. Зуев, Н. П. Кривулин, В. С. Волков, Т. И. Мурашкина // Авиакосмическое приборостроение. - 2008. - № 10. - С. 27-29.

4. Зуев, В. Д. Методика расчета и выбора конструктивных параметров оптической системы волоконно-оптического преобразователя перемещения с управляющим элементом в виде сферической линзы / В. Д. Зуев, Н. П. Кривулин, Ю. М. Голубинский // Надежность и качество : труды Междунар. симп. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. - Т. 1. - С. 314-316.

5. Зуев, В. Д. Моделирование распределения интенсивности светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя перемещений с управляющим элементом в виде сферической линзы / В. Д. Зуев, Н.П. Кривулин, B.C. Волков // Надежность и качество : труды Междунар. симп. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. - Т. 1. - С. 320-322.

6. Зуев, В. Д. Волоконно-оптический преобразователь перемещений с модулирующим элементом в виде шарообразной линзы / В. Д. Зуев, Н. П. Кривулин, Т. И. Мурашкина // Надежность и качество : труды Междунар. симп. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. - Т. 1. - С. 503-505.

7. Зуев, В. Д. Методика определения конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя с управляющим элементом в виде сферической линзы / В. Д. Зуев, В. С. Волков, Н. П. Кривулин, Т. И. Мурашкина // Надежность и качество : труды Междунар. симп. — Пенза : Изд-во Пенз. гос. унта, 2008.-Т. 1.-С. 53-54.

8. Зуев, В. Д. Лабораторная установка для определения конструктивных параметров оптической системы волоконно-оптического вибродатчика / В. Д. Зуев, Т. И. Мурашкина // Метрологическое обеспечение измерительных систем. Профессионал : сборник докладов IV Международной научно-технической конференции. - Пенза, 2007. - С. 182-186.

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

10. Зуев, В. Д. Дифференциальный волоконно-оптический вибродатчик У В. Д. Зуев, Т. И. Мурашкина, А. С. Щевелев // Надежность и качество : труды Междунар. симп. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - Т. 1. - С. 405^107.

П.Зуев, В.Д. Лабораторный макет и экспериментальные исследования волоконно-оптического датчика частоты вращения. Блок формирования

сигналов. Ч. I / В. Д. Зуев, О. В. Юрова // Надежность и качество : труды Междунар. симп. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - Т. 1. — С. 232-235.

12. Зуев, В. Д. Лабораторный макет и экспериментальные исследования волоконно-оптического датчика частоты вращения. Блок формирования сигналов. Ч. II / В. Д. Зуев, О. В. Юрова // Надежность и качество : труды Междунар. симп. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - Т. 1. - С. 230-232.

13. Зуев, В. Д. Микрооптический преобразователь давления / В. Д. Зуев, Н. П. Кривулин // Приборостроение и средства автоматизации. Энциклопедический справочник. — 2008 . - № 6. — С. 16—17.

14. Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом / Аспирант Зуев В. Д. / 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 (2006-2008 годы)» подраздел 2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» № 2.1.2/937.

15. Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами / Аспирант Зуев В. Д. / Отчет по проекту (промежуточный) от 24.06.2006 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» подраздел 2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» № ГР 01.2.006 10437.

16. Пат. 2338155 РФ, МПК6 № С01В11/00. Волоконно-оптический преобразователь перемещения / Зуев В. Д., Мурашкина Т. И., Кривулин Н. П. ; опубл. 21.08.2007, Бюл. № 2006.01.

Научное издание

ЗУЕВ Вячеслав Дмитриевич

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ВИБРОДАТЧИКИ С ШАРООБРАЗНЫМ МОДУЛИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Подписано в печать 01.10.09. Формат 60х84'/]б. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 239. Тираж 100.

Издательство ПГУ Пенза, Красная, 40, т.: 56-47-33

Введение.

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ НА ИЗДЕЛИЯХ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ И АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ.

1.1 Анализ известных способов и средств измерения параметров вибрации изделий ракетно-космической и авиационной техники.

1.2 Обоснование выбора волоконно-оптических средств измерения параметров вибрации с открытым оптическим каналом.

1.3 Новый способ преобразования виброперемещения.

Актуальность работы

Одним из основных негативных факторов, воздействующих на летательные аппараты в полете и, что более важно, на полезную нагрузку является вибрация. Важными требованиями, предъявляемыми к системе измерения вибрации, являются обеспечение безопасности и высокая точность измерения. Этим требованиям наилучшим образом отвечают волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС), разработки которых в настоящее время ведутся интенсивными темпами. Они отличаются повышенной искро-, взрывобезопасностью и помехозащищенностью. Внедрение ВОИИС необходимо также для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту космических аппаратов и ракетоносителей.

Основные теоретические положения для создания ВОИИС и волоконно-оптических датчиков (ВОД) изложены в трудах отечественных и зарубежных ученых: В.М. Бусурина, М.М. Бутусова, Ю.А. Гуляева, И.И. Гроднева, Е.А. Зака, М.П. Лисицы, В.М. Гречишникова, Я.В. Малкова, Т.И. Мурашкиной, А.Л. Патлаха, Н.П. Удалова и др. В то же время в известной научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования волоконно-оптических вибродатчиков (ВОВД) для изделий, эксплуатируемых в специальных условиях ракетно-космической и авиационной техники (РКТ и АТ). Отечественные ВОВД реализованы на функциональном или принципиальном уровнях, практически не адаптированы к ВОИИС для изделий РКТ и АТ. Существенным недостатком известных технических решений ВОВД является низкая чувствительность преобразования оптического сигнала и низкая точность измерения из-за нерационального использования светового потока в пространстве измерительного преобразователя и возможностей оптической системы В ОВД.

При проектировании ВОВД необходимо учитывать влияние на результат измерения изгибов оптических волокон, для чего наиболее перспективным является применение дифференциальной схемы преобразования оптического сигнала. Поэтому определение оптимального расположения элементов оптической системы, обеспечивающего рациональное использование оптической мощности в оптической системе измерительного преобразователя, получение общих и частных математических моделей функций преобразования, разработка технических решений дифференциальных ВОВД для ВОИИС изделий РКТ и АТ представляют собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное народно-хозяйственное значение.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является научное обоснование и исследование оптической системы измерительного преобразователя дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, используемых в информационно-измерительных системах изделий ракетно-космической и авиационной техники.

Научная задача, решаемая в работе, - моделирование и конструирование новых измерительных преобразователей дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала при изменении кривизны границы раздела сред, вызванном перемещением шарообразного модулирующего элемента под действием измеряемой физической величины.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи: - определение требований, предъявляемых к ВОВД информационно-измерительными системами ракетно-космической и авиационной техники; разработка математических моделей и алгоритмов преобразования сигналов в дифференциальном ВОВД с шарообразным модулирующим элементом (МЭ); формализация процесса распределения светового потока в пространстве волоконно-оптического вибропреобразователя (ВОВП) с шарообразным МЭ; оптимизация конструктивных параметров ВОВП, обеспечивающих дифференциальное преобразование светового потока, максимальную глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала; разработка конструкции дифференциального ВОВД с шарообразным МЭ, в котором уменьшено влияние изменения мощности оптического излучения источника излучения и механических деформаций волоконно-оптического кабеля (ВОК); проведение экспериментальных исследований изготовленного экспериментального образца дифференциального ВОВД для подтверждения теоретических положений диссертации.

Методы исследований. Разработка математических моделей дифференциального ВОВД основывалась на положениях геометрической оптики и методах математической физики. При решении метрологических задач использовались основные положения теории чувствительности, погрешностей, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях были применены положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработаны новые технические решения ВОВД, отличающиеся тем, что реализуют новый способ измерения параметров вибрации с применением шарообразной линзы, выполняющей одновременно функции модулирующего, фокусирующего и инерционного элемента, а также управляющего элемента, обеспечивающего дифференциальное преобразование оптического сигнала непосредственно в зоне восприятия измерительной информации.

2 Разработаны математические модели и алгоритмы преобразования сигналов в ВОВД с открытым оптическим каналом, отличающиеся тем, что они разработаны для условий дифференциального преобразования оптических сигналов с учетом структуры пучка света, сформированного излучающим торцом подводящего оптического волокна, особенностями нового взаимного пространственного расположения оптических волокон в торцах волоконно-оптического кабеля и относительно модулирующего элемента.

3 Разработана методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОВП, доказывающая реализуемость дифференциального преобразования с помощью одного и того же модулирующего элемента (шаровой линзы), когда верхняя и нижняя половины линзы преобразуют ее перемещение в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения в двух измерительных каналах, снижая дополнительные погрешности от воздействия дестабилизирующих факторов.

4 Получены результаты графоаналитического машинного эксперимента по новой математической модели и практического эксперимента дифференциального ВОВД на новой установке, задающей перемещения шарообразной линзы относительно торцов оптических волокон (ОВ).

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение» в НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем», и способствует решению актуальной научно-технической задачи моделирования и конструирования новых измерительных преобразователей дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала при изменении кривизны границы раздела сред, вызванном перемещением шарообразного модулирующего элемента под действием измеряемой физической величины.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, создание макетных образцов позволяют перейти к промышленному производству и внедрению дифференциальных ВОВД на изделиях РКТ и АТ.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках аналитических ведомственных целевых программ «Развитие научного потенциала высшей школы (20062008, 2009-2010 г.г.)» в форме грантов Федерального агентства по образованию «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом» (шифр РНП.2.1.2.2827) и

Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами» (№2.1.2/937), договора от 30.10.05 №389/3 (НИР «Волоконно-оптические средства измерения») между ОАО «НИИВТ» (г. Пенза) и ПГУ.

На защиту выносятся:

1 Научно обоснованные технические решения по созданию дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, технические характеристики которых отвечают перспективным требованиям информационно-измерительных систем изделий ракетно-космической и авиационной техники, реализующие новый способ измерения параметров вибрации с применением шарообразной линзы, выполняющей одновременно функции модулирующего, фокусирующего и инерционного элемента, а также управляющего элемента, обеспечивающего дифференциальное преобразование оптического сигнала непосредственно в зоне восприятия измерительной информации.

2 Математическая модель оптико-механической системы волоконно-оптического вибропреобразователя с модулирующим, фокусирующим и инерционным элементом в виде шарообразной линзы, обеспечивающая достижение максимальной чувствительности преобразования оптического сигнала.

3 Методика определения параметров оптико-механической части вовп.

4 Результаты графоаналитического машинного и практического экспериментов В ОВД.

Реализация и внедрение результатов диссертации. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использованы при разработке дифференциального ВОВД, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании экспериментальных образцов дифференциальных ВОВД шифр «ВОВД-НАНОТЕХ».

Разработана лабораторная установка для определения конструктивных параметров оптической системы дифференциального ВОВД.

Элементы теории проектирования, материалы по расчету дифференциального ВОВД использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами», НИР «Устройства сбора и обработки данных в информационно-измерительных системах», «Волоконно-оптические средства измерения», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы» кафедры «Приборостроение» Пензенского государственного университета.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме докладывались на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2008, 2009), X международном салоне «Двигатели-2008» (г. Москва, 2008 г.), Международной выставке «НеНш8з1а-2008» (г. Москва, «Экспо-Крокус», 2008 г.), I и П инвестиционных форумах Пензенской обл. (г. Пенза, 2007, 2008 г.), международной научно-практической конференции "Перспективные технологии искусственного интеллекта" (г.Пенза, 2008 г.), I Российском инвестиционном форуме «Российским инновациям - российский капитал» и IV ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Чебоксары, 2008 г.), II Российском форуме «Российским инновациям — российский капитал» и VII ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Саранск, 2009 г.), IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2009 г., датчики отмечены дипломом и серебряной медалью).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 работах, в том числе 1 - в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК России, 1 патент на изобретение РФ, 4 научно-технических отчёта.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, приложений. Основная часть изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 44 рисунка, 2 таблицы. Список литературы состоит из 76 наименования. Приложения к диссертации занимают 12 страниц.

Основные результаты и выводы

1 Проведен анализ видов входных и выходных сигналов интерфейсов ВОВД.

2 Разработана конструкция дифференциального волоконно-оптического вибродатчика, позволяющая уменьшить погрешность, обусловленную изменением мощности оптического излучения, вырабатываемой ИИ, а так же погрешность от механических деформаций ВОК.

3 Разработана функция преобразования дифференциального ВОВД, позволившая удвоить чувствительности преобразования, снизить влияние на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменение мощности излучения ИИ и чувствительности ПИ, т.к. данные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в каналах, которые не влекут изменения отношения сигналов.

4 Разработана установка для исследования экспериментального образца дифференциального ВОВД для подтверждения теоретических положений по определению конструктивных параметров, а также по определению взаимного расположения оптических волокон в ВОК.

5 Для проведения экспериментальных исследований по разработанной конструкторско-технологической документации изготовлены экспериментальные образцы дифференциальных ВОВП и ВОВД. Экспериментальные исследования экспериментального образца ВОВД показали:

- максимальное значение погрешности линейности |у|тах составляет 0,7 %;

- чувствительность преобразования датчика =0,6 мВ/мкм;

- дополнительная приведенная температурная погрешность 1.2%.

108

Заключение

В работе изложены научно обоснованные новые технические решения по созданию дифференциальных ВОВД, в которых используется шаровая линза, выполняющая одновременно функции модулирующего, фокусирующего и инерционного элемента, а также управляющего элемента, обеспечивающего дифференциальное преобразование оптического сигнала непосредственно в зоне восприятия измерительной информации, внедрение которых позволит создать искро-, взрыво-, пожаробезопасные ВОИИС для изделий РКТ и АТ.

1 Определены требования к волоконно-оптическим датчикам со стороны информационно-измерительных систем.

2 Разработана математическая модель оптико-механической системы ВОВП с модулирующим, фокусирующим и инерционным элементом в виде шарообразной линзы, которая отличается тем, что в ней учтена структура пучка света, сформированного излучающим торцом подводящего оптического волокна и особенности взаимного пространственного расположения оптических волокон и модулирующего элемента и построена с учетом требований ВОИИС РКТ по достижению максимальной чувствительности преобразования оптического сигнала и ограничений на перемещение оптического модулирующего элемента относительно оптических волокон.

2 Разработана методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОВП, которая доказывает реализуемость дифференциального преобразования с помощью одного и того же модулирующего элемента (шаровой линзы), когда верхняя и нижняя половины линзы преобразуют ее перемещение в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения в двух измерительных каналах.

3 Разработаны структурные и математические модели дифференциального ВОВД, анализ которых показал, что, изменяя конструктивные параметры ВОВП (радиус шарообразной линзы, расстояние между ПОВ и центром линзы; расстояние между центром линзы и ООВ, а так же геометрические параметры пружин), можно целенаправленно изменять распределение светового потока в зоне восприятия измерительной информации, добиться требуемых значений вносимого затухания, максимальной чувствительности преобразования.

4 Разработана методика расчета конструктивных параметров ВОВП, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в оптическом модулирующем элементе - шарообразной линзе.

5 Разработана конструкция ВОВП в виде шарообразной линзы, закрепленной, например, при помощи двух плоских пружин, обеспечивающая максимальную чувствительность преобразования и минимальные потери оптического излучения в зоне измерения.

6 Снижены в два раза погрешности волоконно-оптического вибропреобразователя, обусловленные следующими причинами: изменением мощности источника излучения, чувствительности приемников излучения при изменении температуры окружающей среды, дополнительная приведенная температурная погрешность 1.2% (у аналогов 2.5%).

7 Разработан и изготовлен, на основе полученных обобщений и проведенных теоретических исследований, экспериментальный образец дифференциального волоконно-оптического вибропреобразователя, прошедший экспериментальные исследования с помощью разработанной установки, имитирующей виброперемещение, результаты которых показали, что чувствительность преобразования увеличена в два раза по сравнению с аналогами (<ИЛс12 =0,6 мВ/мкм, у аналогов 0,2.03).

8 Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей экспериментального образца дифференциального ВОВД подтвердили теоретические положения диссертации.

9 Результаты диссертационной работы рекомендуются для использования при проектировании и конструировании новых средств измерения: дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической и авиационной техники.

АЦП БИ БП БПИ вовд

ВОВП вод

ВОИИС вок воп да

ИИ МП мэ ов

ООВ оок

ОР ОЭБ пи пов пок птн

СД УЮ ФД РКТ и АТ

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ аналого-цифровой преобразователь блок индикации блок питания блок преобразования информации волоконно-оптический вибродатчик волоконно-оптический вибропреобразователь волоконно-оптический датчик волоконно-оптическая информационно-измерительная система волоконно-оптический кабель волоконно-оптический преобразователь делитель напряжения источник излучения масштабный преобразователь модулирующий элемент оптическое волокно отводящее оптическое волокно отводящий оптический канал оптический разъем оптоэлектронный блок приемник излучения подводящее оптическое волокно подводящий оптический канал преобразователи "фототок-напряжение"; светодиод узел юстировки фотодиод ракетно-космическая и авиационная техника

112

1. Аркадов Г.В. и др. Виброшумовая диагностика ВВЭР / Г.В. Аркадов, Павелко В.И., Усанов А.И. Москва: Энергоатомиздат, 2004. 344 с.

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

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

4. Бегунов Б.Н. и др. Теория оптических систем / Б.Н. Бегунов, Н.П. Заказное. М.: Машиностроение, 1973. 392с.

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

6. Бидерман В.Л., Теория механических колебаний. Москва: Высшая школа, 1980. 408с.

7. Биргер И.А. и др. Динамика авиационных газотурбинных двигателей / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр. М.: Машиностороение, 1981. 232с.

8. Биргер И.А., Техническая диагностика. Москва: Машиностроение, 1978. 239с.

9. Болотин В.В. Прогнозирование ресурсов машин и конструкций. Москва: Машиностроение, 1984. 312с.

10. Браун, Датнер Анализ вибраций роликовых и шариковых подшипников: Пер. с англ. Конструирование и технология машиностроения. М.: Мир, 1979. т.101, №1. С.65-82.

11. Бусурин В.И. и др. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения / В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 256с.

12. Вибрации в технике: Справочник / Под ред. Ф.М. Дименейберга и К.С.Колесникова. М.: Машиностроение, 1980. т.31. 544с.

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

14. Волоконно-оптические датчики: настоящее и будущее // Экспресс-информ. Сер. Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники, М: ВИНИТИ, 1987. № 4. С. 1-9.

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

16. Голъдфарб И. С. Характеристики передачи оптических кабелей при воздействии механических нагрузок // Электросвязь. 1980. № 12. С. 16-19.

17. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990. 224 с.

18. Дональд Дж. Стерлинг, младший Техническое руководство по волоконной оптике / Пер. с англ. М.: Изд-во "Лори", 1998. 288с.

19. Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. Москва: Энергоатомиздат, 1989. 128с.

20. Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. М.: Энергоатомиздат, 1989. 93 с.

21. Зуев В Д. Волоконно-оптический преобразователь перемещений со сферической линзой // ВД. Зуев, Н.П. Кривулин, Т.И. Мурашкина / Датчики и системы. 2008. № 5. С. 8-10.

22. Зуев В Д. Дифференциальный волоконно-оптический вибродатчик // В.Д. Зуев, Т.И. Мурашкина, A.C. Щевелев / Надежность и качество: Тр. Междунар. симп. г. Пенза, 2009. Изд-во Пенз. гос. ун-та. Т. 1. С. 405-407.

23. Зуев В.Д. Математическая модель волоконно-оптического преобразователя перемещения с управляющим элементом в виде сферической линзы // В.Д. Зуев, Т.И. Мурашкина / Авиакосмическое приборостроение. 2008. № 5. С. 45-48.

24. Зуев В.Д. Структурные и метрологические модели и алгоритмы преобразования оптических сигналов волоконно-оптического преобразователя перемещения с управляющим элементом в виде шарообразной линзы // В.Д. Зуев, Т.И. Мурашкина, A.C. Щевелев II

25. Надежность и качество: Тр. Междунар. симп. г. Пенза, 2009. Изд-во Пенз. гос. ун-та. Т. 1. С. 405-407.

26. Иванов В.И. и др. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник / В.И. Иванов, А.И. Аксенов, A.M. Юмин. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1988. 448 с.

27. Коган Л.Н. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М.: Энергоатомиздат, 1990. 208 с.

28. Костин В.И. Сравнительная оценка интенсивности вибрации с переменной во времени амплитудой эквивалентным значениям виброскорости гармонических колебаний // Проблемы прочности. 1974. №9. С.103-109.

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

30. Кривулин Н.П. Разработка теории распределения светового потока в оптической системе волоконно-оптических преобразователей физических величин отражательного типа: Монография. Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2008. 95 с.

31. Кривулин Н.П. Серебряков Д.И. Моделирование распределения светового потока в оптической системе волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости: Монография. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. 76 с.

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

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

34. Мурашкина Т.И. Состояние и проблемы волоконно-оптического датчикостроения // Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. Всероссийск. науч.-техн. конф. 24-26 ноября 1998 г. Москва, 1998. С.183-184.

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

36. Орлов А.Н. Расчет ускоряющего резонатора методом обобщенных гармонических полиномов / А. К. Орлов, 5 с. граф. 21 см, JI. НИИЭФА 1983.

37. Пивкин А.Г. и др. Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для космической техники: Монография / Т.И. Мурашкина, А.Г. Пивкин II Пенза: Издательский центр ПТУ 2005. 150 с.

38. Пивкин А.Г. и др. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография / Е.А. Бадеева, A.B. Гориш, А.Г. Пивкин II М.: МГУЛ, 2004. 246 с.

39. Пивкин А.Г. 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. Вып 6 (2003). М.: МГУЛ, 2003. С. 255-257.

40. Приборы и системы для измерения вибрации шума и удара: Справочник / Под ред. В.Б. Клюева. М.: Машиностроение, 1978. т.1. 448с., т.2. 500с.

41. Принципы действия и применения оптико-волоконных датчиков / Приборы и элементы автоматики. 1985. №5. 64-70 с.

42. Свиридов В.А. Первичные преобразователи дискретных волоконно-оптических уровнемеров // В.А. Свиридов, С.Н. Хотяинцев / Измерительная техника. 1990. № 7. 30-32 с.

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

44. Чуриловский В.Н., Теория оптических приборов. Москва: Машиностроение, 1966.

45. Шарапов В.МПьезоэлектрические датчики. Москва: Техносфера, 2006 г.

46. Шрамков Е.Г. Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс). Учеб. пособие для втузов. М.: «Высшая школа», 1972.

47. Щерица Н.П. Компоненты ВОЛС компании Afonics fiber optic // Компоненты и технологии. 2005. №3. 28-32 с.

48. Явленский К.Н. Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем. Л.: Машиностроение, 1983. 239с.

49. Bucher A. Faseroptischer Wegsensor // Laser und Optoelektronik. 1989. №21 (l).P.P. 54-56.

50. Competitive Assessment of the US Fiber Optics Industry / Office of Telecommunication US Deportment of Commerce // Fiber and Jntegr. Optics. 1986. № 4. Vol.6. P.P. 329-409.

51. Dakin J.P. Multiplexed and distributed optical fiber sensor system 11 J. Phys. E: Sci. Instrum. 1989. Vol. 20. P.P. 954-967.

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

53. Garthe D.E In rein optic Microphone 11 Acoustical. 1991. Vol. 73. № 2. P.P. 72-89.

54. Haran F.M. Optical fiber interferometer sensors using buffer guided light // Meas. Sci. Technol. 1994. № 5. P.P. 525-530.

55. Krohn D.A. Fiber optics: new sensors for old problems // In. Tech. 1983. Vol. 30. №3. P.P. 57-60.

56. Lewis N.E. Fiber Optics Sensors Utilizing Surface Reflection // Fiber Optic and Laser Sensor 11. Proc. SPIE. 1984. Vol. 478.

57. Main R.P. Fiber optic sensors future light // Sensors review, 1985, №3. P.P. 133-138.

58. McMahon D.H. Fiber-optic transducers // IEEE Spectrum. Dec. 1981, P.P. 2429.

59. Medck R.S. The present and future status of fiber optic sensors in industry // Meas. and Contr. 1987. Vol. 20. № 3. P.P. 14-17.

60. Ovren C. New opportunities with fiber-optic measurement // Sensor. Rev. 1985. Vol. 5. № 4. P.P. 199-205.

61. Pitt G.D. Fiber-optic sensors 11 Electrical Communication. 1982. Vol. 57. № 2. P.P. 102-106.

62. Sherif M.E. On fiber electro optic modulator switch // Appl. Opt. 1986. Vol. 25. №15.

63. Ulrich R. Faseroptische Wegaufnehmer als Grundelemente fur Sensoren // Automatisirungstechn. Prax. 1985. Vol. 4. № 3. P.P. 117-123.

64. Verber C.M. The exciting promise of fiber-optic sensors // Mech. Eng. 1984. Vol. 106. №5. P.P. 60-65.

65. A.c. № 974140, кл. G01H13/00, 1982. Датчик вибраций.73A.c. №1516795A1, кл. G01H9/00, 1989. Устройство для измерения перемещений объекта.

66. А.с. №962768, кл. G01H9/00, 1982. Устройство для контроля вибрации.

67. А.с. №1223030 СССР, Q 01 В 11/02. Оптический датчик перемещений // ВАМедников, ВАОлейников и др. Открытия. Изобретения. 1986. №13

68. Патент №2338155 РФ, МПК6 №001В11/00. Волоконно-оптический преобразователь перемещения // В.Д. Зуев, Т.И. Мурашкина, Н.П. Кривулин // опубл. 21.08.2007. Бюл. № 2006.01.