Волоконно-оптические вибродатчики с шарообразным модулирующим элементом для информационно-измерительных систем

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 техникиразработка 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 МЭоптимизация конструктивных параметров ВОВП, обеспечивающих дифференциальное преобразование светового потока, максимальную глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигналаразработка 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 (20 062 008, 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%.

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 линзырасстояние 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.