Дифференциальные волоконно-оптические датчики давления отражательного типа

Актуальность работы.

Создание и внедрение на отечественных объектах ракетно-космической, авиационной и др. техники волоконно-оптических информационно-измерительных систем (ВОИИС) предполагает разработку волоконно-оптических датчиков (ВОД) различных физических величин: давления, перемещения, скорости, ускорения, уровня жидкости, частоты вращения, силы, температуры.

Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы в области их разработок в ближайшие годы станут сдерживающим фактором создания и ВОИИС. Поэтому существует настоятельная потребность в быстрейшем создании ВОД различных типов, пригодных для промышленного освоения и сопрягаемых как с традиционными, так и вновь разрабатываемыми ВОИИС, системами управления, контроля, диагностики и аварийной защиты.

Основное преимущество ВОД перед электрическими обусловлено их возможным использованием в ситуациях, в которых электронные устройства либо вообще нельзя использовать, либо такое использование сопровождается значительными трудностями и расходами. ВОД характеризуются обеспечением чрезвычайно высокого уровня безопасности при эксплуатации в потенциально искропожаро — и взрывоопасных условиях. Важнейшим достоинством ВОД является невосприимчивость их к высокочастотным электромагнитным и импульсным помехам. Внедрение ВОИИС необходимо для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту летательных аппаратов.

Контроль давления на борту летательных аппаратов занимает до 50% от общего числа всех измерений, поэтому создание ВОД давления (ВОДД) для изделий ракетно-космической и авиационной техники с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками является актуальной задачей.

Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: Буркова В. Д., Бусурина В. И., Бутусова М. М., Гречишникова В. М., Жилина В. Г., Зака Е. А., Конюхова Н. Е., Малкова Я. В., Мурашкиной Т. И., Патлаха A. JL, Потапова В. Т., Уда-лова Н.П. и других. В то же время в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования ВОДЦ для изделий ракетно-космической, авиационной и др. техники.

На основании исследований принципов преобразования измерительной информации в изменение параметров оптического сигнала определено, что наиболее эффективно реализуются ВОДЦ, принцип действия которых основан на модуляции интенсивности светового потока под действием измеряемой физической величины. Большинство схем амплитудной модуляции не требует когерентных источников излучения.

Основным недостатком, ограничивающим использование амплитудных ВОДЦ, является то, что на точность измерения оказывают влияние внешние влияющие факторы (ВВФ) и стабильность источника излучения. Использование компенсационных и дифференциальных схем, а также возможность проведения многопараметровых измерений за счет применения большого количества амплитудных ВОД позволяют повысить точность измерений.

ВОДЦ отражательного типа составляют самую обширную группу среди амплитудных волоконно-оптических датчиков давления, что объясняется совершенной технологией изготовления отражающих поверхностей. Наибольшее распространение получили зеркальные отражающие поверхности, не вносящие заметных неинформативных потерь светового потока в процессе измерения.

Существенным недостатком известных технических решений ВОДЦ отражательного типа является большая дополнительная не исключенная погрешность, обусловленная изменениями геометрических параметров и упругих свойств металлической мембраны при изменении температуры окружающей и или измеряемой среды.

До настоящего момента не удавалось реализовать дифференциальную схему преобразования в ВОДЦ отражательного типа, не требующую сложного технологического процесса изготовления датчика.

Цель и задача, исследования и разработки.

Целью диссертационной работы является разработка дифференциальных ВОДД отражательного типа для ВОИИС ракетно-космической, авиационной и др. техники.

В соответствии с целью была сформулирована научная задача, решаемая в работе, — исследование и разработка научно обоснованных технических решений ВОДД отражательного типа, реализующих дифференциальное преобразование оптических сигналов.

Для решения поставленной задачи проведены следующие исследования и разработки:

— разработаны структурные, математические модели и алгоритмы дифференциального преобразования сигналов волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа;

— разработан дифференциальный способ повышения точности измерений ВОДД на основе дифференциального управления световым потоком в оптическом канале;

— проведены исследования конструктивных параметров волоконно-оптических преобразователей давления (ВОПД), обеспечивающих дифференциальное преобразование сигналов и высокую чувствительность преобразования оптических сигналов;

— разработана новая конструкция дифференциального ВОДД, в котором уменьшено влияние изменения мощности оптического излучения источника излучения, уменьшено влияние изменения геометрических и упругих характеристик мембраны при воздействии внешних дестабилизирующих фактов и механических деформаций волоконно-оптического кабеля (ВОК);

— выведена аналитическая зависимость между выходным и входным сигналами дифференциального ВОДД отражательного типа;

— проведен теоретический анализ метрологических и эксплуатационных возможностей дифференциального ВОДД отражательного типа;

— проведены экспериментальные исследования макетных образцов дифференциальных ВОДД отражательного типа для подтверждения теоретических и расчетных данных;

— осуществлена практическая реализация полученных результатов.

Методы исследований. При разработке математических и физических моделей волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа использовались основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, применялись методы математической физики, теории упругости, прикладной механики. При решении задач по синтезу и анализу волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа использовались положения теории чувствительности, погрешностей, гармонического анализа, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии, методы численного анализа, имитационное и статистическое моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов. Теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями лабораторных макетов ВОДД отражательного типа.

Новизна научных результатов.

1 Алгоритм дифференциального преобразования оптического сигнала в ВОПД отражательного типа отличается тем, что световой поток одного и того же источника излучения делится на два потока, которые независимо друг от друга преобразуются под действием одной и той же физической величины, но с помощью разных модулирующих элементов: зеркально отражающей поверхности, перемещающейся перпендикулярно оптической оси первого светового потока, и зеркально отражающей поверхности, перемещающейся под углом к оптической оси второго светового потока.

2 Способ дифференциального преобразования сигналов в ВОПД отражательного типа основан на том, что два канала дифференциальной схемы находятся в одинаковых рабочих условиях, воспринимают одну и туже измеряемую физическую величину (давление), с помощью одного и того же чувствительного элемента (мембраны) преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения, но при этом первый измерительный канал регистрирует перпендикулярное перемещение центральной части зеркальной поверхности мембраны, а второй измерительный канал — угловое перемещение периферийной части зеркальной поверхности той же мембраны.

3 Комплекс функций преобразования ВОПД учитывает параметры, взаимное расположение и количественное соотношение подводящих и отводящих оптических волокон, начальное расстояние от общего торца оптических волокон до зеркальной отражающей поверхности.

4 Методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОПД отражательного типа, основана на том, что исходя из условия равенства расстояний, которые проходят отраженные лучи первого и второго измерительного канала в противоположных направлениях, определяется расстояние между оптическими осями волоконно-оптического преобразователя линейного и углового перемещений.

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Московском государственном университете леса, и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания ВОДЦ отражательного типа и внедрения их в ВОИИС изделий ракетно-космической, авиационной и др. техники.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках договоров № 78 от 15.05.91 г., № 9402 от 25.05.91 г., № 94−03 от 01.08.91 г. между МПО «МАНОМЕТР», г. Москва и ТОО «ПАС», г. Москва (ОКР «Разработка измерительных преобразователи давления с диапазоном верхних пределов измерения от 1 до 100 МПа», ОКР «Разработка и передача КД блока преобразования электронного для датчиков давления и разности давления», ОКР «Разработка принципиальных электрических схем опытных образцов трех микросборок — функциональных узлов блока преобразования электронного для датчиков давления и разности давления»), между АООТ «ТЕПЛОПРИБОР», г. Рязань и ООО «Приборы Автоматизированных Систем ПАС», г. Москва (№ 01/99 от 29.10.99 г. ОКР «Комплекс унифицированных преобразователей давления», № 2−02 от 05.07.2002 г. ОКР «Разработка однопредельного преобразователя давления» и № 02−05 от 19.04.2005 г. ОКР «Разработка помехоустойчивых преобразователей «Сапфир — 22Р»), № 01−04/АС от 27.08.2004 г. между ЗАО «Инженерный центр «Атомпром», и ООО «Приборы Автоматизированных Систем ПАС», г. Москва (ОКР «Разработка устройств подавления помех первичных преобразователей давления систем контроля и управления атомных станций»).

Диссертация выполнялась и реализовывалась 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 10 437 «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом».

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

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке ВОДД отражательного типа, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании макетных образцов ВОДД отражательного типа для измерения избыточного давления в диапазонах 0.0,5- 0.1,0- 0.1,5- 0.2,8 МПа: шифр ВОДД-Д-001 и ВОДЦ-Д-002.

Элементы теории проектирования, материалы по расчету ВОДД использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», ряда ОКР, а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы» на кафедре «Приборостроение» ПГУ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Второй Всероссийской НТК «Датчики и детекторы для АЭС» (г. Пенза, 2004 г.), Международной НТК «Датчики и системы-2005» (г. Пенза, 2005 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы-2006» (г. Москва, 2006 г.), на НТК профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ (г. Москва 2006,2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 научно-технический отчет. Без соавторов опубликовано 2 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, восемь приложений. Основная часть изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 9 таблиц.

Список литературы

содержит 87 наименований. Приложения к диссертации занимают 17 страниц.

Основные результаты и выводы.

1 Разработаны конструктивная и структурная схемы и алгоритм преобразования сигналов дифференциального ВОДД отражательного типа, которые позволили получить высокие метрологические характеристики: незначительную погрешность линейности, высокую чувствительность преобразования, незначительное влияние на результат измерения изменения интенсивности источника излучения.

2 Предложен блочно-модульный принцип построения ВОДД, позволивший исследовать технические характеристики отдельных его блоков на стадиях проектирования или изготовления и тем самым получить высокие метрологические и эксплуатационные характеристики датчика в целом.

3 Разработано два варианта новой конструкции дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа,.

— на базе ВОДД отражательного типа с компенсационным каналом и.

— на базе датчика избыточного давления САПФИР-22, в которых реализованы основные положения диссертации.

4 Определено, что экспериментальные исследования целесообразно проводить в отсутствие согласующего устройства и оптоэлектронного блока, которые сами могут быть источниками различных отклонений в процессе изготовления датчика.

Предложено проводить исследования ВОПД с помощью специально разработанных аттестованных тестеров оптической мощности.

5 Разработаны измерительные установки для экспериментальных исследований ВОПД И ВОДД в целом.

6 Поставлена задача экспериментальных исследований — определение оптимальных расстояния между оптическими волокнами двух измерительных каналов, начальное расстояния от ПОВ до мембраны, схемы расположения оптических волокон в торцах волоконно-оптического кабеля, при которых обеспечиваются дифференциальное преобразование сигналов, максимальная чувствительность преобразования, минимальная погрешность линейности функции преобразования ВОПД.

7 Результаты экспериментальных исследований разработанного макетного образца дифференциального ВОПД отражательного типа показали, что:

— изменение расстояния х0 между ВОК и мембраной на 0,1.0,2 мм ведет к изменению чувствительности преобразования в 2 и более раза;

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

— целесообразно использовать ВОК, в котором три ПОВ и четыре ООВ, так как в этом случае чувствительность преобразования и глубина модуляции оптического сигнала выше в 1,5 раза.

6 Проведенные экспериментальные исследования и анализ метрологических и эксплуатационных характеристик макетных образцов разработанных ВОДД отражательного типа, подтвердили теоретические положения диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе изложены научно обоснованные новые технические решения дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической, авиационной и др. техники, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала под действием измеряемого давления.

1 Разработаны структурные, математические модели и алгоритмы преобразования сигналов дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа, анализ которых показал, что, изменяя определенным образом конструктивные параметры, можно добиваться высокой чувствительности преобразования при линейной функции преобразования и глубине модуляции оптического сигнала.

2 Разработан новый алгоритм дифференциального преобразования оптического сигнала, который заключается в том, что световой поток источника излучения делится на два потока, которые независимо друг от друга преобразуются под действием одной и той же физической величины, но с помощью разных модулирующих элементов.

3 Разработана методика расчета основных конструктивных параметров дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в зоне измерения, при которых обеспечиваются повышенные метрологические характеристики.

4 Разработана методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в дифференциальных волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа, основанная на условии равенства расстояний, которые проходят отраженные лучи первого и второго измерительного канала в противоположных направлениях.

5 Разработан способ дифференциального преобразования сигналов в дифференциальных волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа, когда два измерительных канала находятся в одинаковых рабочих условиях, воспринимают одну и туже измеряемую физическую величину — давление, с помощью одной и той же мембраны преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения. При этом первый измерительный канал регистрирует перпендикулярное перемещение центральной части мембраны, а второй измерительный канал — угловое перемещение периферийной части мембраны.

6 На основе полученных обобщений и проведенных теоретических исследований разработаны и изготовлены макетные образцы дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа. Экспериментальные исследования и анализ технических возможностей макетных образцов подтвердили теоретические положения диссертации.

7 Работа обеспечивает создание и внедрение: дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической, авиационной и др. техники.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

AT — авиационная техника.

БП — блок питания.

БПИ — блок преобразования информации.

ВВФ — внешний влияющий фактор вод — волоконно-оптический датчик.

ВОДД — волоконно-оптический датчик давления.

ВОК — волоконно-оптический кабель.

ВОП — волоконно-оптический преобразователь.

ВОПД — волоконно-оптический преобразователь давления.

ВОИИС — волоконно-оптическая информационно-измерительная система гтд — газотурбинный двигатель да — делитель напряжения зс — зондирующий сигнал.

ИИ — источник излучения ип — измерительный преобразователь иис — информационно-измерительная система ж — инфракрасный.

ЛА — летательный аппарат.

ЛД — лазерный диод.

ЛФД — лавинный фотодиод.

MX — метрологические характеристики нх — народное хозяйство.

НИОКР — научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа.

НИР — научно-исследовательская работа.

НТК — научно-техническая конференция.

ОВ — оптическое волокно ок — оптический канал.

ОКР — опытно-конструкторская работа.

ООВ — отводящее оптическое волокно on — оптический переключатель.

OP — оптический разъем.

ОС — оптический соединитель.

ОУ — операционный усилитель.

ОЭБ — оптоэлектронный блок пи — приемник излучения.

ПОВ — подводящее оптическое волокно.

РКТ — ракетно-космическая техника сид — светоизлучающий диод слд — суперлюминисцентный диод.

СХ — спектральная характеристика.

ТКЛР — температурный коэффициент линейного расширения тт — технические требования.

УЮ — узел юстировки.

ФВ — физическая величина.

ФД — фотодиод.

ФП — функция преобразования чэ — чувствительный элемент.

ЭВМ — электронная вычислительная машина.

ЭХ — эксплуатационные характеристики.