автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости для информационно-измерительных систем

На правах рукописи

СЕРЕБРЯКОВ Дмитрий Иванович

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ИНФОРМАДИОННО-ЙЗМЕРИТЕЛЬИЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.И .16—Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2006

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 - ФГУП ПО «Старт» (г. Заречный, Пензенская обл.).

Защита диссертации состоится 7 декабря 2006 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.pnzgy.ru.

Автореферат разослан « »_2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета __

доктор технических наук, профессор Ц^^^ Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время интенсивными тешами ведутся разработки волоконно-оптических, информационно-измерительных систем (НИС), отличающихся повышенной искро-, взрывобезопасностью и помехозащищенностью, требующие определенной номенклатуры волоконно-оптических датчиков (ВОД). Основное преимущество ВОД перед электрическими обусловлено, прежде всего, их естественной сопрягаемостью с волоконно-оптическими средствами передачи информации и лучшими возможностями объединения их в ИИС. Внедрение волоконно-оптических ИИС необходимо для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на боргу космических аппаратов и ракетоносителей.

Контроль уровня жидкости на борту летательных аппаратов занимает до 10 % от общего числа всех измерений. Одним из важных требований, предъявляемых к системе контроля уровня жидкости, являются обеспечение безопасности и высокая точность измерения. В настоящее время в ракетно-космической технике (РКТ) применяются только два типа уровнемеров: поплавково-индуктивнщй и емкостный - в которых используются элементы электрических цепей и существует вероятность возникновения искры, так как топливо, используемое в РКТ, взрывоопасно. Дальнейшее совершенствование системы контроля уровня жидкости на изделиях РКТ возможно по пути использования новых перспективных средств измерения. Поэтому создание сигнализатора уровня жидкости для ИИС изделий РКТ, в котором отсутствуют электрические цепи, является актуальной задачей.

Эту задачу можно решить путем создания сигнализаторов уровня жидкости на базе волоконно-оптической техники. Поэтому данная работа посвящена созданию волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости (ВОСУЖ).

Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами 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. Пат-лаха, Н. П. Удалова и др. В то же время в научно-технической литера-

РОС. НЛШКЖДПЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

туре недостаточно отражены особенности проектирования ВОСУЖ для изделий, эксплуатируемых в условиях PKT.

На основании исследований принципов преобразования измерительной информации в изменение параметров оптического сигнала определено, что необходимо сконцентрировать усилия на разработке простых, надежных и универсальных с точки зрения конструктивных и схемных решений ВОСУЖ, принцип действия которых основан на использовании условия полного внутреннего отражения (ПВО) светового потока от границы раздела двух сред с разными коэффициентами преломления.

Основным недостатком, ограничивающим использование подобных ВОСУЖ, является существенное влияние внешних факторов на точность измерения. Использование простых компенсационных и дифференциальных схем, а также возможность проведения многопараметрических измерений за счет применения большого количества простых ВОСУЖ позволяют повысить точность измерений уровня жидкости.

Существенным недостатком известных технических решений ВОСУЖ, использующих ПВО светового потока, является низкая чувствительность преобразования оптического сигнала, обусловленная большими потерями светового потока в местах соединения чувствительного элемента ВОСУЖ и волоконно-оптического кабеля, а также при прохождении светового потока через чувствительный элемент ВОСУЖ. Это объясняется тем, что в известных ВОСУЖ не полностью учтены особенности пространственного распределения светового потока в оптическом канале, недостаточно решены вопросы оптимизации конструктивных параметров чувствительного элемента ВОСУЖ и т. д. Поэтому при проектировании ВОСУЖ на первый план выступают вопросы, связанные с распределением плотности мощности по сечению пучка света, несущего измерительную информацию, характер поведения светового потока при наличии и отсутствии жидкости в зоне измерения,

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости, используемых в информационно-измерительных системах изделий ракетно-космической техники.

Научная задача, решаемая в работе, — -исследование и разработка научно обоснованных технических решений волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Эта цель достигается решением следующих задач:

- разработкой структурных, математических моделей и алгоритмов преобразования сигналов в ВОСУЖ;

- разработкой новой конструкции чувствительного элемента ВОСУЖ;

- проведением математической формализации распределения светового потока в пространстве чувствительного элемента;

- проведением оптимизации конструктивных параметров чувствительного элемента, обеспечивающих максимальную глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала;

- разработкой конструкции ВОСУЖ с компенсационным каналом, в котором уменьшено влияние изменения мощности оптического излучения источника излучения и механических деформаций волоконно-оптического кабеля ВОСУЖ;

- разработкой способа воспроизведения уровня жидкости, позволяющего более точно определять разброс положения точки срабатывания и дифференциал хода ВОСУЖ;

- проведением экспериментальных исследований изготовленных макетных образцов ВОСУЖ для подтверждения расчетных данных.

Методы исследований. При разработке математических и физических моделей ВОСУЖ использовались основные положения волновой, геометрической оптики, применялись методы математической физики. При решении задач по повышению метрологических и эксплуатационных характеристик ВОСУЖ использовались положения теории чувствительности, погрешностей, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов. Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями лабораторного макета.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработаны структурные, математические, метрологические модели и алгоритмы преобразования сигналов в ВОСУЖ.

2 Разработана конструкция оптического чувствительного элемента (ОЧЭ) ВОСУЖ в виде стержня с шаровым сегментом, обеспечивающая максимальный перепад сигнала и минимальные потери оптического излучения в зоне измерения.

3 Разработана математическая модель распределения светового потока в пространстве ОЧЭ в виде стержня с шаровым сегментом, на основании которой путем оптимизации конструктивных параметров ОЧЭ получают улучшенные метрологические характеристики ВОСУЖ.

4 Разработан способ преобразования информации, который позволяет снизить дополнительную погрешность ВОСУЖ,

5 Разработан способ воспроизведения уровня жидкости.

6 Разработаны новые технические решения ВОСУЖ с компенсационным каналом, обеспечивающие высокие метрологические характеристики и надежное функционирование ВОСУЖ в условиях, характерных для объектов PKT.

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ЛГУ) на кафедре приборостроение», и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания новых ВОСУЖ, использующих эффект ПВО, с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и внедрения гсс в ИИС на изделия ракетно-космической техники.

Экспериментально исследованы метрологические и эксплуатационные характеристики разработанных макетных образцов ВОСУЖ с компенсационным каналом, подтвердившие основные теоретические положения диссертационных исследований.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к промышленному производству и внедрению ВОСУЖ. Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, договора № 289/3 от 30.10.05 (НИР «Волоконно-оптические средства измерения») между ОАО «НИИВТ» (г. Пенза) и ПТУ, договора № 275 от 01.02.04 (НИР «Устройства сбо-

ра и обработки данных в ИИС») между ЗАО «НИИФИ и ВТ» (г. Пенза) и ИГУ.

Диссертация выполнялась и реалнзовывалась в ПГУ при выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» в форме гранта Федерального агентства по образованию. № Г.Р, 01,2.006 10437 «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом».

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке ВОСУЖ, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании макетного образца ВОСУЖ.

Разработаны макетные образцы ВОСУЖ: шифр ПГУ-СУ01-001, ПГУ-СУ02-001.

Элементы теории проектирования, материалы по расчету ВОСУЖ использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС», «Волоконно-оптические средства измерения», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на ХХШ, XXV российских НТК молодых ученых и специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству 21 века» (г. Пенза, 2004, 2006 гг,), «Надежность и качество-2004» (г. Пенза, 24-31 мая 2004 г.), международных симпозиумах «Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем», (г. Пенза 2-5 октября 2005 г.), «Надежность и качесгво-2006» (г. Пенза, 2006 г.)} Международной НТК «Датчики и системы-2005» (г, Пенза, 6-10 июня 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 13 статей в центральных изданиях и межвузовских сборниках, 1 научно-технический отчет. Без соавторов опубликовано 2 работа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы, 7 приложений. Основная часть изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 7 таблиц. Список литературы состоит из 101 наименования. Приложения к диссертации занимают 15 страниц.

На защщу выносятся:

1 Новая конструкция ОЧЭ в виде стержш с шаровым сегментом, обеспечивающая максимальный перепад сигнала и минимальные потери оптического излучения в зоне измерения.

2 Математическая модель распределения светового потока в ОЧЭ в виде стержня с шаровым сегментом ВОСУЖ.

3 Способ снижения дополнительной погрешности ВОСУЖ.

4 Способ воспроизведения уровня жидкости.

5 Результаты графоаналитического машинного и практического экспериментов по определению поведения светового потока в пространстве ВОСУЖ.

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 проведены теоретическая проработка и анализ существующих методов измерения уровня жидкости, которые показали, что в настоящее время отсутствуют простые малогабаритные средства измерения уровня жидкости, позволяющие с высокой точностью проводить измерения в жестких условиях эксплуатации.

Определена специфика предмета разработки: малая масса измерительного средства и кабельных сетей, работоспособность в условиях искро- и взрывоопасности, воздействия сильных электромагнитных помех, механических факторов, перепадов температур, характерных для изделий PKT.

Доказано, что для решения поставленной задачи необходимо использовать контактный метод измерения, основанный на изменении показателя преломления внешней среды. При этом используют пороговый эффект - нарушение ПВО от границы двух сред при повышении показателя преломления внешней среды.

Определен предмет исследований — волоконно-оптический сигнализатор уровня оюидкости, в состав которого входит оптический чувствительный элемент в виде стержня с шаровым сегментом, предназначенный дня контроля наличия в зоне установки сигнализатора прозрачной для инфракрасного излучения жидкости с коэффициентом преломления п > 1,25 для информационно-измерительных систем перспективных образцов ракетно-космической техники.

Определено, что при решении задач, не требующих измерения текущего уровня жидкости, целесообразно использовать сигнализатор, работающий в релейном режиме. Его выходной сигнал должен восприниматься последующей системой обработки первичной информации как "О" или "1" в зависимости от того, погружен ли ОЧЭ в жидкость или находится над ней. Возможность четко различать эти два состояния определяется главным образом отношением выходных сигналов ОЧЭ в погруженном и непогруженном состояниях. Поэтому стоит задача повышения чувствительности к управляющему сигналу.

Бо второй главе проведена математическая формализация процесса распределения светового потока в ОЧЭ.

Для эффективного ввода светового потока в ОЧЭ рассмотрена структура пучка света, сформированного излучающим торцом подводящего оптического волокна (ПОВ). Поперечное сечение пучка имеет круговую и кольцевую зоны. Определено, что интенсивность оптического излучения в точке уо, г0), находящейся на расстоянии X, (рисунок 1), будет складываться из интенсивностей точек окружности у, лежащей в плоскости оптического волокна (ОВ) а. В связи с тем, что при прохождении светового потока по ОВ происходит его "симметризация" относительно оптической оси, то каждая точка окружности у излучает световые лучи 1, 2, г под апертурным углом ©щ, т. е. каждая точка торца ОВ излучает световой поток в виде полого расходящегося конуса, угол при вершине конуса равен 2©ди,

При этом:

- окружность у целиком лежит внутри ОВ (см. рисунок 1);

- интенсивность в точке М от части окружности у выражается криволинейным интегралом по формуле

где В - яркость излучения; - дифференциал длины дуги; Х{ - расстояние от излучающего торца ОВ до точки М (рисунок 2).

(1)

Находим интеграл по дугам АщВ и В„А (см. рисунок 2), получим;

а,

1 Аяв М

Математический анализ выражений (1) и (2) позволил сделать следующий вывод.

ОЧЭ необходимо располагать относительно ОВ на расстоянии > т^, где Тцр - расстояние формирования светового пучка» так как по всей плоскости торца стержня распределение будет однородным.

В ВОСУЖ модуляция оптического сигнала осуществляется в ОЧЭ за счет выполнения и нарушения условия ПВО, при этом перепад сигнала должен быть максимальным. Для достижения данного условия разработана математическая модель распределения светового потока в ОЧЭ с помощью методов аналитической геометрии на плоскости, при этом введена система координат Оху, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 - Ход лучей в ОЧЭ

Предложено координату точки /), находящейся на об-

щем торце отводящих ООВ и подводящих ПОВ волокон, в которую падает луч света от точки М (£, >"о)> находить в зависимости от конструктивных параметров ОЧЭ: длины Д радиуса расстояния Х(> апертурного угла ©ли, коэффициентов преломления П\, щ, п ОЧЭ, воздуха и жидкости соответственно, диаметров ОВ 4> сердцевины и оболочки соответственно (см. рисунок 3).

В результате при х—Ь+Х! получена коорд ината у точки М' (Ь+Хь у), которая в общем случае является функцией многих переменных, а именно:

У = ЫУй, ®ш> А -Й1, Хь "ь «о, Л, (I + X,) +

+ Ьв(уо> А Ль X,, иь По, И, 4» (3)

где къ = tgarcsin

и.

—втСаг^ё | Л ¡) ^ а

Ьв = кЪ + Ъ'-кЬ,

Предложено интенсивность света в точке у) находить по

рекурсивной формуле

Ф

¿-1

где Ф0 - интенсивность света при вхождении в ОЧЭ после преломления,

Ф =1 1 (^(©м -ф) | -ФЛ 0 2^т2(©ш+ф) 1& Ч®Ш+(?)У

где Фк - интенсивность при 1с ~ 1...М' м отражении; N - число отражений, которое определяется для каждого луча отдельно, непосредственно в процессе моделирования; ф - угол падения на границу раздела двух сред; ф' - угол преломления на границе раздела двух сред.

Если луч падает на полусферу и ОЧЭ не погружен в жидкость, имеем

ф'=агс5ш

/ \

и, . ~ —викр

В случае, когда луч падает на полусферу, которая находится в соприкосновении с жидкостью

ф'=агсзт^— втср^.

При выходе из торца стержня интенсивность будет составлять 'япУ-ф") ]

ф'=

4

t я «

где -а\

<p"=arcsin —sin<p').

Vh )

В результате выведены две функции распределения интенсивности светового потока вида:

- без соприкосновения ОЧЭ с жидкостью

Ф1 =Ф|ОВ,"О); (4)

- при соприкосновении ОЧЭ с жидкостью

O2=$20v")- (5)

Вычисляя минимальное и максимальное значения функции (3), определяем: Í?'BHyT = min у и И'втт = тах у - предельные значения для внутреннего и внешнего радиусов кольца К' (рисунок 3 сечение А-А).

Введена величина Фп - порог чувствительности - минимальное допустимое значение интенсивности. Предложено в дальнейшем, вычислял в полученном кольце К* интенсивность распределения света, отбрасывать те точки кольца К', в которых Ф' < Ф„,

Дня определения состояния сигнализатора (есть контакт с жидкостью, нет контакта с жидкостью) введен функционал

/ = /(Ф0,^,и), (6)

где 4 = (©ли> А Ль X» "ь do, d<¡) ~ вектор состояния, координаты которого - конструктивные параметры сигнализатора; п - показатель преломления (жидкость или воздух).

Задача сводится: в случае контакта с жидкостью - к нахождению минимума (максимума) (6); в случае без контакта с жидкостью -к нахождению его максимума (минимума) (6) в зависимости от вектора состояния сигнализатора £ = (©ли, L, R\, Xh щ, d0, dc).

Окончательно

/(Ф0)=ДФ0(^«>а5,

D

где D - К п П есть область пересечения области кольца К и области Q - ООВ, представляющей собой площадь сердцевин ООВ.

Установлено, что для определенного значения функционала, в общем случае, могут соответствовать различные % = (©м, L, R\, X¡, щ, da, da) - вектора состояния сигнализатора. Поэтому введен еще один функционал S ~ S (и, щ, щ, L, Ль X, d0, с/0), который равен площади засветки ООВ.

В результате выведены функции преобразования:

- по интенсивности распределения светового потока на ООВ

7{ф!)

к1(п, По, Иь ©АН, и Ль аоу <*с) = ; (7)

ДФ2)

- по площади засветки ООВ

% «о, «ь ©ли, А Ль Л 4» 4) = • (8)

Для повышения чувствительности ВОСУЖ на основании разработанной математической модели предложено с помощью изменения конструктивных параметров ОЧЭ управлять световым потоком, добиваясь на выходе ОЧЭ, чтобы:

1) область кольца К' не попадала на ООВ;

2) в области кольца К' находилось максимальное (минимальное) количество ООВ;

3) освещенность ООВ менялась в зависимости от оптической плотности жидкости либо менялось соотношение площадей колец.

В третьей главе предложены обобщенные структурные схемы ВОСУЖ с электрическим и оптическим интерфейсами, на основе которых разработана конструкция ВОСУЖ с компенсационным каналом, алгоритм преобразования сигнала с которого реализуется в разработанном универсальном блоке преобразования информации.

ВОСУЖ с электрическим интерфейсом состоит из волоконно-оптического преобразователя (ВОП) и оптоэлектронного блока (ОЭБ) (рисунок 4). Обработка сигнала осуществляется с помощью блока

Рисунок 4 - Структурная схема ВОСУЖ с компенсационным каналом

преобразования информации (БПИ). ВОП состоит из ОЧЭ, отражающего элемента (ОЭ) и волоконно-оптического кабеля (ВОК).

ВОК представляет собой жгут ПОВ и ООВ. Для эффективной передачи светового потока от источника излучения (ИИ) к ПОВ и от ООВ к приемнику излучения (ПИ) введены узлы юстировки УЮ1-УЮ4 или оптические разъемы ОР1-ОР2,

Электрический сигнал 1/„, поступающий на вход ОЭБ сигнализатора, преобразуется с помощью электрооптического преобразователя ИИ в оптический сигнал Ф<>, часть которого Фор поступает на вход ПОВр рабочего канала через оптический разъем ОР1 и подается в зону измерения, т. е. на ОЧЭ (см. рисунок 4). При взаимодействии ОЧЭ с жидкостью на границе раздела (Гр) сред происходит изменение интенсивности сигнала Фор, так как нарушается условие ПВО и, как следствие, приводит к выходу части излучения в жидкость. Часть оставшегося светового потока ФР(Дл), промодулированного в функции параметра Дм, поступает в ООВр рабочего канала.

По ООВр световой поток направляется на ПИР рабочего канала через оптический разъем ОР2, где преобразуется в эквивалентный фототок /Р(Д»), который впоследствии преобразуется в напряжение Ц>(Ди) с помощью преобразователя "фототок-напряжение" (ПТНР) рабочего канала, здесь же ¡7р(Дн) усиливается до необходимой величины.

Таким образом, на выходе ПТНР рабочего измерительного канала получается напряжение, до амплитуде которого можно судить о наличии жидкости в зоне измерения, т. е происходят следующие преобразования:

Ая|

1/я-*Фор^-Фф -*Фор ->©^ФР(Д»)-»Фр(Ди)-»©

Фр (Ап) -> Фр(Ак) /р(Ди).

Часть оптического излучения от ИИ Фок поступает на вход ПОВк компенсационного канала через ОРЗ и подается на ОЭ компенсационного канала. Оптическое излучение, отраженное от ОЭ, по ООВк поступает на приемник излучения ПИК через ОР4 компенсационного канала. В свою очередь ПНК регистрирует оптическое излучение и преобразует его в эквивалентный фототок 1К.

.-Таким образом, в компенсационном канале происходят следующие преобразования:

Х\

U,Фок Фок Фок -*ФК -^Фк -^Фк

причем Х= const. Впоследствии /к преобразуется в напряжение UK с помощью преобразователя "фототок-напряжение" ГОН*, здесь же UK усиливается до необходимой величины. Таким образом, на выходе ПТНК компенсационного канала получается напряжение Ua причем UK = const при отсутствии внешних воздействующих факторов (механические деформации ВОК).

При обработке сигнала с ВОСУЖ для улучшения метрологических характеристик целесообразно сформировать отношение разности сигналов на выходе рабочего и компенсационного каналов к их сумме. В этом случае наблюдаются удвоение чувствительности преобразования, снижение влияния на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности излучения ИИ и чувствительности ПИ, так как данные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в рабочем и компенсационном каналах, которые не влекут изменения отношения сигналов.

В этом случае на выходе ВОСУЖ формируется сигнал

[«Дк>- J иш WVtWA») + ¡Kmin^yVP+mW -

4лгс(2А" tg©^ - i*e)

I — Г— arcsin——sin(2arcsin—)]+— I— arcsin——sin(2arcsin—) 1] , [ 2 1,90 2R 2R ] 2 [90 2rt 2rc JjjJ

/

/

х[— Г— агсвш—- 5ю(2агсвт—)]+— -^-агс5т——зт(2агсзт—) 1 2 [90 2R 2R } 2 [90 2гс 2гс })

где /рди(Д")> /кпи (Ж) - ток ПИ рабочего и компенсационного измерительных каналов соответственно; - коэффициент упаковки;

ИЛ - числовая апертура ОВ; р - коэффициент отражения ОЭ; К - радиус освещенной кольцевой зоны на поверхности ОЭ; гс - радиус сердцевины ОВ; а - длина хорды в плоскости ООВ; 6 = 1,2- показатель степени, характеризующий распределение светового потока ИИ в пространстве.

В четвертой главе проведен метрологический анализ ВОСУЖ, определены возможные погрешности и даны рекомендации по их снижению.

Реальная функция преобразования сигнализатора (см. рисунок 4) будет иметь вид

/Р = Лш(1 + ЬРт)(Л, + Щ(1 + ЬКж)(А2 + Дэ + Дс + Кочэ)(1 + йЛГочэ) *

х(Д4+ад(1 +б^сп)[(1 (Д5+Дв+£пи)(1 +55пи)А»,

где Рш - мощность излучения источника излучения; А] - погрешность юстировки ИИ относительно ПОВ; Д2- погрешность юстировки ПОВ относительно ОЧЭ; Дз - аддитивная погрешность из-за неточности изготовления формы ОЧЭ; А^ - погрешность от эффекта смачиваемости; ¿ц - погрешность юстировки ОЧЭ относительно ООВ; Д5 - погрешность юстировки ООВ относительно ПИ; Дб - погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ; 5РШ - погрешность, обусловленная изменением мощности и диаграммы излучения ИИ при изменении температуры окружающей среды, напряжения питания и т. п.; 8^Ис> З-Ксп - погрешности, обусловленные изменением светопропускания ПОВ и ООВ соответственно при изгибах ВОК, воздействии ударов, вибрации, линейного ускорения и т. п.; 8Лонэ -мультипликативная погрешность ОЧЭ, обусловленная изменением параметров ОЧЭ при изменении ВВФ; 8т|(А.) - погрешность спектрального согласования ИИ и ПИ при изменении температуры окружающей среды; 8£пи - погрешность от изменения интегральной токовой чувствительности ПИ при изменении температуры окружающей среды, напряжения питания и т. п, Дана оценка возможных погрешностей ВОСУЖ. Часть погрешностей может быть снижена в процессе сборки сигнализатора точной юстировкой элементов конструкции. Многие погрешности носят систематический характер, поэтому могут быть исключены.

Разработан способ уменьшения температурной погрешности, который основывается на преимуществах ВОСУЖ с компенсационным каналом, а также на том, что для рабочего и компенсационного каналов используется один ИИ, а ПИ являются идентичными друг другу.

Разработан новый способ воспроизведения уровня жидкости, позволяющий более точно определять разброс точки срабатывания и дифференциал хода (рисунок 5).

Рисунок 5 - Устройство для определения разброса точки срабатывания и дифференциала хода ВОСУЖ

При перемещении поршня (П) вниз часть жидкости выходит из мерной трубки (МТ) и поступает в сосуд (С) через систему гибких шлангов (ГШ) и стеклянного капилляра (СК), последний предназна-

чен для контроля наличия пузырьков воздуха в жидкости и равномерно растекается по площади С, При этом происходит повышение уровня жидкости И на значение, равное

где с1,0 - диаметры МТ и С, мм; Я, Н1 - уровни жидкости в МТ соответственно до перемещения и после перемещения поршня П.

Разработанная конструкция позволяет не только более точно задавать уровень жидкости, но и с помощью подбора оптимальных конструктивных параметров МТ и С (а именно: ¿я О) добиться нужной точности задания уровня.

Проведенные экспериментальные исследования и анализ метрологических и эксплуатационных характеристик макетных образцов разработанных ВОСУЖ подтвердили большинство теоретических положений диссертации, показали, что они обеспечивают фиксацию наличия в зоне установки сигнализатора прозрачной дня инфракрасного излучения жидкости с коэффициентом преломления, большим 1,2. Приблизительные габаритные размеры сигнализатора в 2-3 раза меньше, чем у аналогов (таблица). Разброс точки срабатывания в 1,5-2 раза меньше в сравнении с аналогами. Температурная погрешность разработанных сигнализаторов снижена в 2-3 раза в сравнении с датчиками без компенсационного канала и не превышает 3 % в диапазоне температур ±60 °С.

В заключении отмечается, что в работе изложены научно обоснованные новые технические решения по созданию ВОСУЖ с компенсационным каналом, имеющего улучшенные метрологические и эксплуатационные характеристики, внедрение которых позволит создать волоконно-оптические ИИС на изделиях РКТ с качественно новыми полезными свойствами.

В приложениях приведены программа расчетов параметров ОЧЭ ВОСУЖ на ЭВМ, конструкторская документация и фотографии экспериментального образца ВОСУЖ, акты внедрения результатов диссертации на предприятиях космической отрасли и оборонного комплекса, в учебном процессе.

(9)

Название параметра Значение параметра

1 Выходной сигнал (напряжение постоянного тока), В: — при наличии жидкости в контролируемой зоне - в отсутствие жидкости в контролируемой зоне 0..Д7 9*1

2 Разброс положения точки срабатывания, мм, не более 0,22

3 Дифференциал хода, мм, не более 0,85

4 Показатель преломления, п >1,2

5 Рабочая длина волны, мкм 0,94...0,95

6 Работоспособен при воздействии: —вибрации частотой, Гц (с ускорением, м/с?) —механического удара с ускорением, м/с1 длительностью импульса, мс (число ударов) -температуры окружающей среды, °С -температуры измеряемой среды, °С 10...5000 (5...400) 1000 1...5<9) *60 -180 до+150

7 Вероятность безотказной работы 0,999

8 Срок службы, лет, не менее И

9 Масса, кг, не более 0,15

10 Габаритные размеры чувствительного элемента, мм 012*25

11 Длина волоконно-оптического кабеля (по требованию заказчика), м 2...200

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В работе изложены научно обоснованные новые технические решения по созданию ВОСУЖ с компенсационным каналом, имеющего улучшенные метрологические и эксплуатационные характеристики, внедрение которых позволит создать искро-, врыво-, пожаробезопасные ИИС изделий PKT.

1 Разработаны структурные, математические и метрологические модели ВОСУЖ с компенсационным каналом, анализ которых показал, что, изменяя определенным образом конструктивные параметры, можно целенаправленно управлять пространственно модуляционной функцией, Кцп =ЛДи), добиться требуемых значений вносимого затухания, максимальной чувствительности и глубины модуляции оптического сигнала.

2 Разработана конструкция оптического чувствительного элемента ВОСУЖ в виде стерши с шаровым сегментом, обеспечив аю-

щая максимальный перепад сигнала и минимальные потери оптического излучения в зоне измерения.

3 Разработана методика расчета конструктивных параметров оптического чувствительного элемента в виде стержня с шаровым сегментом, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в оптическом чувствительном элементе, при которых обеспечивается улучшение метрологических характеристик.

4 Разработан способ снижения дополнительной погрешности, обусловленной изменением мощности оптического излучения источника излучения при изменении температуры окружающей среды и механическими деформациями волоконно-оптического кабеля.

5 Предложена методика оценивания погрешностей ВОСУЖ. Даны аналитические выражения точностных характеристик разрабатываемых ВОСУЖ, исследованы источники погрешностей, разработаны рекомендации по их снижению.

6 На основе полученных обобщений и проведенных теоретических исследований разработаны и изготовлены макетные образцы ВОСУЖ с компенсационным каналом, отвечающие требованиям PKT. Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей макетных образцов ВОСУЖ подтвердили большинство теоретических положений диссертации.

7 Работа способствует созданию и внедрению новых средств измерения: волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости с улучшенными метрологическими и экстуатационнъши характеристиками для информационно-измерительных систем ракетно-космической техники.

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

1 Серебряков Д, И. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости / Д. И. Серебряков, Н. Я. Карасев // Датчики и системы. -2005.10.-С. 14-16.

2 Серебряков Д. И. Способ снижения температурной погрешности волоконно-оптических датчиков У Д. И. Серебряков, Т. И. Мурашкина // Авиакосмическое приборостроение, - 2006, - № 3. - С. 13-15.

3 Серебряков Д. И. Расчет конструктивных параметров чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня

жидкости / Д. И. Серебряков, Т. И. Мурашкина, Н. П. Кривулин // Авиакосмическое приборостроение.—2006.—7. — С. 20-22.

4 Серебряков Д. И. Снижение температурной погрешности волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости // Датчики и системы. - 2006. - № 2 - С. 36-37.

5 Предложение к внедрению научных разработок в области создания волоконно-оптических датчиков: Рекламный лист ПГУ. Кафедра «Приборостроение» / Д. И. Серебряков, Т. И. Мурашкина // Датчики и системы. - 2005. - № 8. - С. 1 б.

6 Серебряков Д. И. Математическая модель распространения светового потока в световоде / Д. И. Серебряков, Н. П. Кривулин // Авиакосмическое приборостроение. - 2006. - № 8. - С. 7-9,

Публикации в других изданиях:

7 Серебряков Д. И. Особенности применения источников и приемников излучения в волоконно-оптических сигнализаторах уровня / Д. И. Серебряков, Т. И. Мурашкина // Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: Сб. науч, тр. - Мл ГОУ ВПО МГУЛ, 2005.-Вып. 7 (2005). - С. 148-154.

8 Серебряков Д. И. Градуировочная установка для волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости / Д. И. Серебряков, Т. И. Мурашкина // Автоматизация управления в технических системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: йнф.-изд. центр ПГУ, 2005. -Вып. 24,-С. 197-202.

9 Серебряков Д. И. Способ снижения температурной погрешности оптических датчиков / Д. И. Серебряков, Т. И. Мурашкина, А. Г. Пив-кин // Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем: Сб. тр. Между нар. симп. - Пенза, 2005. - С. 57-62.

10 Серебряков Д, И. Распределение светового потока в волоконно-оптических преобразователях уровня жидкости / Д. И. Серебряков, Н. П. Кривулин // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп. В 2 т. / Под ред. Н. К. Юркова. - Пенза: Иэд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. -Т.1.-С. 353-354.

11 Серебряков Д. И. Оптимизация конструкции чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости / Д. И. Серебряков, Н. П. Кривулин // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп. В 2 т. / Под ред. Н. К. Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006.-Т. I.-С. 351-352.

12 Серебряков Д. И. Метрологическое обеспечение изготовления волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости // Надежность и качество: Тр. Междунар, симп. В 2 т. / Под ред. Н. К. Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006, - Т. 2. - С. 63-65.

13 Серебряков Д. И. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости / Д. И. Серебряков, Т. И. Мурашкина // Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: Сб. науч. тр. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. -Вып. 7 (2005). - С. 164-172.

14 Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом / Соисп. Д. И. Серебряков / Отчет по проекту (промежуточный) от 27.06.2006 аналитической ведомств венной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» подраздел 2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» № Г.Р. 01.2.006 10437.

Серебряков Дмитрий Иванович

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ жидкости ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.1 б - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор Н. А. Вьплкова

Корректор Н. А. Сидельникова Компьютерная верстка С. П. Черновой

ИД № 06494 от 26.1101 Сдано в производство 31.10.06. Формат 60x84^/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. псч, л. 1,39. Заказ № 633. Тираж 100.

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

A&fyf

Введение.

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛИЗАТОРОВ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

1.1 Особенности построения датчиков уровня жидкости для ИИС

1.2 Оценка перспективности внедрения волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости в информационно-измерительных системах ракетно-космической техники.

1.3 Классификация амплитудных волоконно-оптических преобразователей.

1.4 Анализ известных технических решений и обоснование выбора конструкции и способа измерения уровня жидкости.

Выводы.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОИСХОДЯЩИХ В ОПТИЧЕСКОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОМ ЭЛЕМЕНТЕ

2.1 Распределения светового потока в пространстве волоконнооптического сигнализатора уровня жидкости.

2.2. Определение местоположения оптического чувствительного элемента относительно излучающего торца оптического волокна волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости.

2.3 Управление световым потоком в волоконно-оптическом преобразователе с управляющим элементом в виде границе раздела двух сред с разными коэффициентами преломления.

2.4 Математическая модель функции преобразования волоконнооптического сигнализатора уровня жидкости.

Выводы.

ГЛАВА 3 ОСОБЕННОСТИ ФИЗИЧСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛИЗАТОРА УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

3.1 Расчет параметров оптического чувствительного элемента.

3.2 Особенности построения и принцип действия волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости.

3.3 Принцип действия волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости с компенсационным каналом и функция преобразования.

3.4 Разработка универсального блока преобразования информации для волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости.

Выводы.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛИЗАТОРА УРОВНЯ ЖИДКОСТИ 4.1 Источники погрешностей амплитудных волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости и способы их уменьшения.

4.2 Способ уменьшения температурной погрешности волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости.

4.3 Способ воспроизведения уровня жидкости.

4.4 Экспериментальные исследования макетного образца волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости.

Выводы.

Актуальность работы. В настоящее время интенсивными темпами ведутся разработки волоконно-оптических информационно-измерительных систем (ИИС), отличающихся повышенной искро-, взрывобезопасностью и помехозащищенностью, требующие определенной номенклатуры волоконно-оптических датчиков (ВОД). Основное преимущество ВОД перед электрическими обусловлено, прежде всего, их естественной сопрягаемостью с волоконно-оптическими средствами передачи информации и лучшими возможностями объединения их в ИИС. Внедрение волоконно-оптических ИИС необходимо для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту космических аппаратов и ракетоносителей.

Контроль уровня жидкости на борту летательных аппаратов занимает до 10% от общего числа всех измерений. Одним из важных требований, предъявляемых к системе контроля уровня жидкости, являются обеспечение безопасности и высокая точность измерения. В настоящее время в ракетно-космической технике (РКТ) применяются только два типа уровнемеров: по-плавково-индуктивный и емкостный - в которых используются элементы электрических цепей и существует вероятность возникновения искры, так как топливо, используемое в РКТ, взрывоопасно. Дальнейшее совершенствование системы контроля уровня жидкости на изделиях РКТ возможно по пути использования новых перспективных средств измерения. Поэтому создание сигнализатора уровня жидкости для ИИС изделий РКТ, в котором отсутствуют электрические цепи, является актуальной задачей.

Эту задачу можно решить путем создания сигнализаторов уровня жидкости на базе волоконно-оптической техники. Поэтому данная работа посвящена созданию волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости (ВОСУЖ).

Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами 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 научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования ВОСУЖ для изделий, эксплуатируемых в условиях РКТ.

На основании исследований принципов преобразования измерительной информации в изменение параметров оптического сигнала определено, что необходимо сконцентрировать усилия на разработке простых, надежных и универсальных с точки зрения конструктивных и схемных решений ВОСУЖ, принцип действия которых основан на использовании условия полного внутреннего отражения (ПВО) светового потока от границы раздела двух сред с разными коэффициентами преломления.

Основным недостатком, ограничивающим использование подобных ВОСУЖ, является существенное влияние внешних факторов на точность измерения. Использование простых компенсационных и дифференциальных схем, а также возможность проведения многопараметрических измерений за счет применения большого количества простых ВОСУЖ позволяют повысить точность измерений уровня жидкости.

Существенным недостатком известных технических решений ВОСУЖ, использующих ПВО светового потока, является низкая чувствительность преобразования оптического сигнала, обусловленная большими потерями светового потока в местах соединения чувствительного элемента ВОСУЖ и волоконно-оптического кабеля, а также при прохождении светового потока через чувствительный элемент ВОСУЖ. Это объясняется тем, что в известных ВОСУЖ не полностью учтены особенности пространственного распределения светового потока в оптическом канале, недостаточно решены вопросы оптимизации конструктивных параметров чувствительного элемента ВОСУЖ и т. д. Поэтому при проектировании ВОСУЖ на первый план выступают вопросы, связанные с распределением плотности мощности по сечению пучка света, несущего измерительную информацию, характер поведения светового потока при наличии и отсутствии жидкости в зоне измерения.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости, используемых в информационно-измерительных системах изделий ракетно-космической техники.

Научная задача, решаемая в работе, - исследование и разработка научно обоснованных технических решений волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Эта цель достигается решением следующих задач:

- разработкой структурных, математических моделей и алгоритмов преобразования сигналов в ВОСУЖ;

- разработкой новой конструкции чувствительного элемента ВОСУЖ;

- проведением математической формализации распределения светового потока в пространстве чувствительного элемента;

- проведением оптимизации конструктивных параметров чувствительного элемента, обеспечивающих максимальную глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала;

- разработкой конструкции ВОСУЖ с компенсационным каналом, в котором уменьшено влияние изменения мощности оптического излучения источника излучения и механических деформаций волоконно-оптического кабеля ВОСУЖ;

- разработкой способа воспроизведения уровня жидкости, позволяющего более точно определять разброс положения точки срабатывания и дифференциал хода ВОСУЖ;

- проведением экспериментальных исследований изготовленных макетных образцов ВОСУЖ для подтверждения расчетных данных.

Методы исследований. При разработке математических и физических моделей ВОСУЖ использовались основные положения волновой, геометрической оптики, применялись методы математической физики. При решении задач по повышению метрологических и эксплуатационных характеристик 7

ВОСУЖ использовались положения теории чувствительности, погрешностей, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов. Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями лабораторного макета.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработаны структурные, математические, метрологические модели и алгоритмы преобразования сигналов в ВОСУЖ.

2 Разработана конструкция оптического чувствительного элемента (ОЧЭ) ВОСУЖ в виде стержня с шаровым сегментом, обеспечивающая максимальный перепад сигнала и минимальные потери оптического излучения в зоне измерения.

3 Разработана математическая модель распределения светового потока в пространстве ОЧЭ в виде стержня с шаровым сегментом, на основании которой путем оптимизации конструктивных параметров ОЧЭ получают улучшенные метрологические характеристики ВОСУЖ.

4 Разработан способ преобразования информации, который позволяет снизить дополнительную погрешность ВОСУЖ.

5 Разработан способ воспроизведения уровня жидкости.

6 Разработаны новые технические решения ВОСУЖ с компенсационным каналом, обеспечивающие высокие метрологические характеристики и надежное функционирование ВОСУЖ в условиях, характерных для объектов РКТ.

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение», и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания новых ВОСУЖ, использующих эффект ПВО, с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и внедрения их в ИИС на изделия ракетно-космической техники.

Экспериментально исследованы метрологические и эксплуатационные характеристики разработанных макетных образцов ВОСУЖ с компенсационным каналом, подтвердившие основные теоретические положения диссертационных исследований.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к промышленному производству и внедрению ВОСУЖ. Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, договора № 289/3 от 30.10.05 (НИР «Волоконно-оптические средства измерения») между ОАО «НИИВТ» (г. Пенза) и ПГУ, договора № 275 от 01.02.04 (НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС») между ЗАО «НИИФИ и ВТ» (г. Пенза) и ПГУ.

Диссертация выполнялась и реализовывалась в ПГУ при выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» в форме гранта Федерального агентства по образованию. № Г.Р. 01.2.006 10437 «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом».

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке ВОСУЖ, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании макетного образца ВОСУЖ.

Разработаны макетные образцы ВОСУЖ: шифр ПГУ-СУ01-001, ПГУ-СУ02-001.

Элементы теории проектирования, материалы по расчету ВОСУЖ использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС», «Волоконно-оптические средства измерения», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на XXIII, XXV российских НТК молодых ученых и специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству 21 века» (г. Пенза, 2004, 2006 гг.), «Надежность и качество-2004» (г. Пенза, 24-31 мая 2004 г.), Международном симпозиуме «Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем», (г. Пенза 2-5 октября 2005 г.), Международной НТК «Датчики и систе-мы-2005» (г. Пенза, 6-10 июня 2005 г.), «Надежность и качество-2006» (г. Пенза, 2006 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 13 статей в центральных изданиях и межвузовских сборниках, 1 научно-технический отчет. Без соавторов опубликовано 2 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы, 7 приложений. Основная часть изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 7 таблиц. Список литературы состоит из 101 наименования. Приложения к диссертации занимают 15 страниц.

Заключение

1 Разработаны структурные, математические и метрологические модели ВОСУЖ с компенсационным каналом, анализ которых показал, что, изменяя определенным образом конструктивные параметры, можно целенаправленно управлять пространственно модуляционной функцией, Кип = f(Aw), добиться требуемых значений вносимого затухания, максимальной чувствительности и глубины модуляции оптического сигнала.

2 Разработана конструкция оптического чувствительного элемента ВОСУЖ в виде стержня с шаровым сегментом, обеспечивающая максимальный перепад сигнала и минимальные потери оптического излучения в зоне измерения.

3 Разработана методика расчета конструктивных параметров оптического чувствительного элемента в виде стержня с шаровым сегментом, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в оптическом чувствительном элементе, при которых обеспечивается улучшение метрологических характеристик.

4 Разработан способ снижения дополнительной погрешности, обусловленной изменением мощности оптического излучения источника излучения при изменении температуры окружающей среды и механическими деформациями волоконно-оптического кабеля.

5 Предложена методика оценивания погрешностей ВОСУЖ. Даны аналитические выражения точностных характеристик разрабатываемых ВОСУЖ, исследованы источники погрешностей, разработаны рекомендации по их снижению.

6 На основе полученных обобщений и проведенных теоретических исследований разработаны и изготовлены макетные образцы ВОСУЖ с компенсационным каналом, отвечающие требованиям РКТ. Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей макетных образцов ВОСУЖ подтвердили большинство теоретических положений диссертации.

7 Работа способствует созданию и внедрению новых средств измерения: волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для информационно-измерительных систем ракетно-космической техники.

В диссертационной работе содержится решение актуальной научной задачи обоснования, разработки и исследования ВОСУЖ, внедрение которых позволит существенно повысить технические характеристики информационно-измерительных систем изделий ракетно-космической техники.

Перечень принятых сокращений

ВОД - волоконно-оптический датчик.

ВОСУЖ - волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости.

ПВО - полное внутренние отражение.

ЧЭ - чувствительный элемент.

ВОК - волоконно-оптический кабель.

ОЧЭ - оптический чувствительный элемент.

ИИ - источник излучения.

ВОИИС - волоконно-оптическая информационно измерительная система.

ОВ - оптическое волокно. ВОП - волоконно-оптический преобразователь. ОК - оптический канал. ПОВ - подводящее оптическое волокно. ООВ - отводящее оптическое волокно. ПИ - приемник излучения. ВОДУ - волоконно-оптический датчик уровня. ОЭБ - оптоэлектронный блок. БПИ - блок преобразования информации. ПОВр(К) - подводящее оптическое волокно рабочего (компенсационного) канала.

Гр - граница раздела сред.

ООВр(К) - отводящее оптическое волокно рабочего (компенсационного) канала.

ПИр(К) - приемник излучения рабочего (компенсационного) канала. ПТНр(К) - преобразователь «ток-напряжение» рабочего (компенсационного) канала.

ОЭ - отражающий элемент ДН - делитель напряжения.

УБПИ - универсальный блок преобразования информации. СХ - спектральная характеристика. ОУ - операционный усилитель.

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.: Энергоатомиз-дат,1987. - 56 е.: ил. - (Б-ка по автоматике; Вып. 664).

3. Андриенко А.Я, Балакин С.В., Ломтев С.М. Проблема измерения уровня топлива на борту жидкостных ракет // Датчики и системы. 2003. -№6. - С.46-47.

4. Ахмадиев А. Т., Белоцерковский Э. Н., Патлах А. Л. Современное состояние и перспективы развития волоконно-оптических преобразователей уровня // Оптико-механическая промышленность. 1986. - № 6. - С. 5155.

5. Бабченко А. М., Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Оптоэлектронные преобразователи уровня жидкости // Измерения, контроль, автоматизация. -1987.-№2(62).-С. 3-13.

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

7. Балакин С.В., Долгов Б.К., Филин В.М. Опыт Эксплуатации систем контроля заправки жидкостных ракет как основа создания системы нового поколения // Датчики и системы. 2005. - №7. - С. 10-17.

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

9. Белкин М.Е., Шевцов Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем.-М.: Радио и связь. 1992. 224 с.

10. Белоцерковский Э. Н., Патлах A. JL 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.-256 с.

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

14. 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.

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

16. Волоконно-оптические датчики физических величин // Радиоэлектроника за рубежом (образцы), М., НИИЭКР. 1985. - Вып.8. - С. 65 -71.

17. Волоконно-оптическая связь: Приборы, схемы и системы: Пер. с англ. / Под ред. М. Дж. Хауэса и Д. В. Моргана. М.: Радио и связь, 1982. -272 с.

18. Волохов В. Н. и др. Волоконно-оптический датчик уровня жидкости // Приборы и техника эксперимента.-1981.-№ 6.-С.197-199.

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

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

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

22. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. М.: Изд-во стандартов, 1980. - 17 с.

23. 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.

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

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

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

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

28. Заявка на изобретение №2005141285, МПК6 G01 F 23/00. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости / Д.И. Серебряков, Т. И. Мурашкина.

29. Заявка на изобретение №2006116218, МПК6 GO 1 L 19/04. Устройство для поверки и градуировки средств измерения уровня жидкости / Д.И. Серебряков, Т. И. Мурашкина.

30. Иванина В. И., Каракчиев С. Н., Орлянский Н. В., Якунин И. А. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости // Технология. Технология приборостроения: Науч.-техн. сб. / ЦНТИ "Поиск". 1990. - Вып. 3. ДСП-С. 146-153.

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

32. Коган JI.H. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 208 с.

33. Капустин В.И. Проектирование активных RC фильтров высого-ко порядка. - М.: Радио и связь, 1982. - 160 с.

34. Капустян В.И. Активные RC фильтры высогоко порядка. - М.: Радио и связь, 1985. - 248 с.

35. Коптев Ю. Н., Гориш А. В. Датчиковая аппаратура для ракетно-космической техники // Радиотехника. 1995. - № 10. - С. 5-6.

36. Красюк Б. А., Корнеев Г. И. Оптические системы связи и свето-водные датчики. М.: Радио и связь, 1985.

37. Лапин А.В. Волоконно-оптические трансиверы от INFINEON // Электронные компоненты. 2005. - №5. - С. 114-115.

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

39. 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.

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

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

42. 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.

43. Мухитдинов М.Н., Мусаев Э.С. Светоизлучающие диоды и их применение. М.: Радио и связь, 1988.-80 с.

44. Описание изобретения к авторскому свидетельству №1280329 СССР, МКИ G 01 F 23/22 Волоконно-оптический уровнемер. Опубл. 30.12.86

45. Описание изобретения к авторскому свидетельству №2553190 Франция, МКИ G 01 F 23/28 Устройство для дистанционного контроля уровня жидкости. Опубл. 06.09.84.

46. Описание изобретения к авторскому свидетельству №1275220 СССР. МКИ G 01 F 23/28. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости. Опубл. 07.12.86.

47. Описание изобретения к авторскому свидетельству № 3247192 ФРГ, МКИ G 01 F 23/04 Дискретный волоконно-оптический уровнемер. -Опубл. 05.07.84

48. Описание изобретения к авторскому свидетельству №431403 G 01 F 23/04 Устройство для дистанционного измерения уровня жидкости / И.Ю. Васютинский и С.П. Буюкян.

49. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1150488 G 01 F 23/22 Волоконно-оптический датчик / В.А. Свиридин, Н.Ф. Богомолов

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

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

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

53. 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.

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

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

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

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

58. 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.

59. Серебряков Д.И., Мурашкина Т.П. Градуировочная установка для волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости.// Автоматизация управления в технических системах. Межвуз. сб. науч. тр. Вып.24. - Пенза: ИИЦ ПГУ 2005 - С. 197-202.

60. Серебряков Д.И., Мурашкина Способ снижения температурной погрешности волоконно-оптических датчиков // Авиакосмическое приборостроение. 2006. - №3. - С. 13-15.

61. Серебряков Д.И., Мурашкина, Пивкин А.Г. Способ снижения температурной погрешности оптических датчиков // Сб. трудов Метрологическое обеспечение информационно измерительных систем. Международный симпозиум г. Пенза 2-5 октября 2005г. С.57-62.

62. Серебряков Д.И., Карасев Н.Я. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости // Датчики и системы. 2005. - №10. - С. 14-16.

63. Серебряков Д.И., Мурашкина Т.И., Кривулин Н.П. Расчет конструктивных параметров чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости // Авиакосмическое приборостроение. -2006. №7. - С.20-22

64. Серебряков Д.И. Снижение температурной погрешности волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости // Датчики и системы. -2006. №2 - С.36-37.

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

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

67. Справочник по расчету и проектированию ARC схем / Букаш-кин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др.; Под ред. А.А. Ланнэ. -М.: Радио и связь, 1989.-386 с.

68. Техника оптической связи: Фотоприемники: Пер. с англ. / Т38 Под ред. У. Тсанга. М.: мир, 1988. - 526 с.

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

70. Травина Т. С. Состояние разработок, выбор и расчет компонентов волоконно-оптических линий передачи с уровнем энергетических потерь 15-30 дБ / Радиоэлектроника. М.: НИИЭИР, 1986.- т. 2. ДСП С. 46-65.

71. Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети. М.: Эко-тренз, 1998.-267 с.

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

73. Шафутдинов Г. К., Титова Г. В., Суягин С. В., Черников О. А. Волоконно-оптический датчик концентрации компонентов жидких сред // Приборы и системы управления.-1994.- № 6.-С.31-33.

74. Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров. США. 1969. Пер. с англ., под ред. А.Е. Знаменского. М., «Сов. радио», 1974.

75. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. К.: Техшка, 1990. - 213 с.

76. Щерица Н.П. Компоненты BOJIC компании Afonics fibreoptic // Компоненты и технологии. 2005. - №3. - С.28-32.

77. Bucher A., Kist R., Ramakrishnan S., Unger L., Wolfelschnei- der H. Faseroptischer Wegsensor // Laser und Optoelektronik. 1989. - № 21 (1). -P.P. 54-56.

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

79. Dakin J. P. Multiplexed and distributed optical fibre sensor system // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1989. - Vol. 20. - P.P. 954-967

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

81. De Grandpre M. D. Measerement of seawater p CO2 using a renewable reagent fiber optic senson with colorimetric detection // Anal Chem. - 1993. -Vol. 65,-№4.-P.P. 331-337.

82. El Sherif M. E., Shankar P. M., Herczfeld P. R., Bobb L., Krumboltz H. On - fiber electrooptic modulator switch // Appl. Opt. - 1986. - Vol. 25. -№15.

83. Garthe D. Ein rein optisches Mikrofon // Acustica. 1991. - Vol. 73/ -№ 2. - S. 72-89.

84. Haran F. M. Optical fibre interferometric sensors using buffer guided light // Meas. Sci. Technol. 1994. - № 5. - P.P. 525-530.

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

86. Lewis N.e., Miller M.B., Lewis W.H. Fiber Optics Sensors Utilizing Surface Reflection // Fiber Optic and Laser Sensor 11. Proc. SPIE. 1984. - Vol. 478.

87. Main R. P. Fibre optic sensors future light // Sensors review, 1985, №3. - S. 133 - 138.

88. McMahon D. H., Nelson A. R., Spillman W. B. Fiber-optic transducers // IEEE Spectrum. Dec. -1981, P.P. 24-29.

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

90. Ovren C., Adolfsson M., Hok В., Brogardh T. New opportunities with fibre-optic measurement // Sensor. Rev. 1985. - Vol. 5. - № 4. - P.P. 199-205.

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

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

93. Ulrich R. Faseroptische Wegaufnehmer als Grundelemente fur Sen-soren // Automatisirungstechn. Prax. 1985. Vol. 4. - № 3. - S. 117-123.1. ПРИЛОЖЕНИЙ