Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Постановка задачи исследований 14
1.1 Анализ состояния вопроса создания и использования датчиков на объектах авиакосмической техники...: 14
1.2 Оценка перспективности внедрения волоконно-оптических датчиков давления в системах контроля и испытаний изделий авиакосмической техники 18
1.3 Пример использования волоконно-оптических датчиков давления при испытаниях и контроле систем летательных аппаратов 21
1.4 Обоснование выбора волоконно-оптических преобразователей давления с открытым оптическим каналом аттенюатор но го типа 29
Выводы к главе 1 39
Глава 2 Физические и математические основы преобразования измерительной информации в амплитудных волоконно-оптических датчиках давления аттенюаторного типа 40
2.1 Принцип действия волоконно-оптических преобразователей давления аттенюаторноготипа 40
2.2. Преобразование светового потока в оптическом канале волоконно-оптического датчика давления аттенюатор но го типа 43
2.3 Функции преобразования волоконно-оптических преобразователей перемещения с предельным аттенюатором 57
2.4 Принцип действия и функция преобразования дифференциального волоконно-оптического датчика давления с предельным аттенюатором 68
Выводы к главе 2 80
Глава 3 Особенности физической реализации амплитудных волоконно-оптических датчиков давления атгенюаторного типа 80
3.1 Элементная база волоконно-оптических датчиков давления 80
3.2 Выбор конструкции предельных аттенюаторов 89
3.3 Методика расчета параметров волоконно-оптического преобразователя давления атгенюаторного типа 101
3.4 Особенности схем но-конструктивных решений и физической реализации дифференциальных волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления атгенюаторного типа 104
Выводы к главе 3 111
Глава 4 Оценка метрологических и эксплуатационных характеристик амплитудных волоконно-оптических датчиков давления атгенюаторного типа 112
4.1 Источники погрешностей амплитудных волоконно-оптических датчиков давления атгенюаторного типа и способы их уменьшения 112
4.2 Влияние волоконно-оптического кабеля на эксплуатационные характеристики волоконно-оптических датчиков давления и способы их улучшения 129
4.3 Влияние волоконно-оптического кабеля на метрологические характеристики волоконно-оптических датчиков давления и рекомендации по их улучшению 141
4.4 Экспериментальные исследования макетных образцов волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления атгенюаторного типа 147
Выводы к главе 4 163
Заключение 164
Перечень принятых сокращений 167
Библиографический список 168
- Оценка перспективности внедрения волоконно-оптических датчиков давления в системах контроля и испытаний изделий авиакосмической техники
- Преобразование светового потока в оптическом канале волоконно-оптического датчика давления аттенюатор но го типа
- Выбор конструкции предельных аттенюаторов
- Влияние волоконно-оптического кабеля на эксплуатационные характеристики волоконно-оптических датчиков давления и способы их улучшения
Введение к работе
В России ведутся работы по совершенствованию и созданию различных волоконно-оптических устройств, систем, их компонентов и технологии изготовления самих оптических волокон (ОВ). Достаточно отработаны и уже широко используются волоконно-оптические телекоммуникационные системы. Ведутся интенсивные разработки в области создания внутри-' объектовых волоконно-оптических сетей сбора данных, обеспечивающих более эффективное использование информации о состоянии объекта в сравнении с традиционными системами сбора и преобразования информации в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и повышенной искро- и взрывоопасное [51]. Дальнейшее совершенствование систем контроля и испытаний авиакосмической техники (АКТ) также не возможно без использования новых перспективных средств измерения, к которым, в первую очередь, относятся волоконно-оптические датчики (ВОД).
Преимущества ВОД перед традиционными электрическими следующие:
могут использоваться во взрывоопасной среде ввиду абсолютной искро- и взрывобезопасности;
имеют высокую механическую прочность, малые габариты, простую конструкцию и, соответственно высокую надежность;
химически инертны;
изготавливаются из диэлектрических материалов, чем обеспечивается отсутствие путей прохождения через них электрического тока;
имеют высокую стойкость к повышенным температурам, механическим ударам, вибрациям и другим воздействиям окружающей среды;
позволяют производить бесконтактные и дистанционные измерения;
- потребляют малое количество энергии;
- сигналы, идущее от датчиков, позволяют производить простое
мультиплексирование;
- некоторые ВОД могут использоваться в ситуациях, в которых элек
тронные устройства либо вообще нельзя использовать, либо такое исполь
зование сопровождается значительными трудностями и расходами, (на
пример: измерение температуры в высоковольтных элеюрических аппара
тах, таких как генераторы переменного тока, трансформаторы; измерение
тока и напряжения в высоковольтных линиях электропередачи; быстрое
измерение температуры небольших поверхностей, имеющих малую тепло
проводность и переменную отражающую способность; в труднодоступных
местах).
Несмотря на неоспоримые преимущества ВОД в настоящее время работы по созданию отечественных ВОД только выходят за рамки лабораторных исследований- Отставание отечественных разработок ВОД от зарубежных объясняется рядом объективных причин, среди которых определяющей является отсутствие комплексного подхода к решению этой проблемы и, как следствие, недостаточное финансирование этой области контрольно-измерительной техники. В то же время потребность в ВОД в различных отраслях достаточно высока [50]. Наибольшую потребность в ВОД испытывают ракеті ю-космическая, авиационная и военная техника. Не смотря па это, в настоящее время имеет место недопустимая недооценка роли ВОД при решении задач измерения и контроля в различных системах и на различных объектах.
Выявлены следующие факторы, влияющие на современное состояние в области разработки и использования ВОД:
- разработка ВОД в целом но стране не планируется;
предприятия отдельных отраслей, как оборонных, так и общепромышленных ведут разработки ВОД практически только для "своих" изделий под ограниченный перечень задач;
работы по созданию ВОД родственных предприятий различных отраслей не координируются, ведутся без обмена опытом и информацией;
при постановке новых задач разрабатываются новые датчики, нередко с "нулевого" задела;
предприятия, как правило, руководствуясь сиюминутными доходами, не заинтересованы в проведении широкоплановых комплексных исследований по созданию гаммы универсальных ВОД,
Преодоление существующих проблем - основная задача создания ВОД.
Давление - это один из тех параметров, без измерения которого не обходится ни один объект техники специального назначения. Так на объектах авиационно-космической техники подобные измерения составляют половину всех измерений. Поэтому создание ВОД давления (ВОДД) является актуальной задачей.
Проблемой создания ВОД занимались как зарубежные, так и отечественные ученые: В. Д.Бурков, В. И. Бусурин, М. М. Бутусов, В- М. Гречишников, В. Г. Жилин, Е. А. Зак, К Е. Конюхов, Я. В. Малков, Т. И. Му-рашкина, А, Л. Патлах, В. Т. Потапов, Н. П. Удалов, и др. В то же время вопросам разработки ВОД давления посвящено не так много работ, в научно-технической литературе слабо отражены особенности проектирования ВОДД для изделий, эксплуатируемых в жестких условиях ракетно-космической техники. Большая часть известных публикаций связана с ВОДД отражательного типа, так как они наиболее просты в изготовлении. В то же время известно, что потенциальные возможности ВОД не реализуются в них из-за того, что в зоне измерения теряется большая часть свето-
вого потока в процессе отражения его от зеркальной мембраны. Это ведет к снижению чувствительности преобразования и, соответственно, к низкой точности измерения. Повышения чувствительности преобразования ВОДД можно добиться уменьшением неинформативных потерь света в процессе преобразования измерительной информации и, в первую очередь, в зоне восприятия информации об измеряемой величине- Этого можно добиться в ВОДД аттенюатор ного типа, ВОДД подобного типа не получили широко распространения, так как требуют точной юстировки оптических волокон относительно друг друга и относительно аттенюатора. Смещение оптических волокон относительно друг друга и относительно аттенюатора на 1...5 мкм в известных технических решения ВОДД аттенюаторного типа может привести к резкому снижению чувствительности преобразования оптического сигнала и, соответственно, к снижению точности измерения. Кроме того, большинство амплитудных ВОДД имеют существенную дополнительную погрешность, обусловленную, в первую очередь, изменением температуры окружающей среды и изгибами оптических волокон.
Учитывая вышеизложенное, целью диссертационной работы является повышение эффективности систем контроля и испытания авиакосмической техники путем существенного улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик ВОДД.
Соответственно, научная задача, решаемая в работе, - моделирование и конструирование новых волоконно-оптических датчиков давления аттенюаторного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала при перекрытии части светового потока в зоне открытого оптического капала датчика под действием измеряемого давления.
Для решения поставленной научной задачи проведены следующие исследования и разработки:
разработаны и проанализированы структурные, математические и метрологические модели амплитудных ВОДД аттенюаторного типа с целью выбора наиболее оптимальной из них;
разработаны алгоритмы преобразования сигналов амплитудных ВОДД аттенюаторного типа;
разработаны новые конструкции дифференциальных аттенюаторов и выбраны наиболее эффективные из них, обеспечивающие максимальные глубину и чувствительность преобразования оптического сигнала, простоту юстировки элементов оптической системы;
усовершенствован дифференциальный способ повышения точности измерения ВОДД аттенюаторного типа, основанный на дифференциальном управлении световым сигналом непосредственно на участке восприятия измерительной информации;
выведена аналитическая зависимость между выходным и входным сигналами дифференциального ВОДД аттенюаторного типа;
-осуществлена практическая реализация полученных результатов;
- проведены теоретические и экспериментальные исследования и
анализ метрологических и эксплуатационных возможностей эксперимен
тальных образцов разработанных ВОДД аттенюаторного типа.
Предмет исследований - волоконно-оптические преобразователи и датчики давления аттенюаторного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала при перекрытии части светового потока в зоне открытого оптического канала под действием измеряемого давления, предполагаемые к применению системах перспективных образцов авиакосмической техники..
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, аналитической геометрии, теории геометрической и волоконной оптики, методы ма-
тематической физики, прикладной механики, методы решения оптимизационных задач. Достоверность полученных теоретических результатов и выводов подтверждалась экспериментальными исследованиями реальных образцов датчиков давления, созданных с использованием разработанных математических моделей и методики проектирования, а также сравнением полученных результатов с экспериментальными и расчетными данными, опубликованными другими авторами.
Навита научных результатов заключается в следующем.
Развита методика проектирования амплитудных ВОДД атгенюатор-ного типа для изделий авиакосмической техники (АКТ); разработан комплекс базовых функций преобразования ВОПД с учетом функции распределения светового потока в пространстве зоны измерения, анализ которых показал, что, изменяя целесообразным образом конструктивные параметры ВОПД, можно добиваться требуемых метрологических характеристик.
Создана методическая база для расчета основных параметров амплитудных ВОПД и ВОДД атгенюаторного типа.
Усовершенствован дифференциальный способ улучшения метрологических характеристик ВОДД атгенюаторного типа: чувствительности преобразования, глубины модуляции оптического сигнала, снижения погрешности измерения, основанный на дифференциальном управлении световым потоком непосредственно на участке восприятия измерительной информации и за счет применения оригинальных схем компоновки оптических волокон в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля.
На основе проведенных исследований разработаны новые технические решения амплитудных ВОДД атгенюаторного типа, обеспечивающие требуемые метрологические характеристики и надежное функционирование ВОДД в условиях эксплуатации, характерных объектам АКТ.
Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором, и обеспечивает создание и внедрение в системах контроля и испытаний изделий авиакосмической техники амплитудных волоконно-оптических датчиков давления аттенюаторного типа с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по-' зволяюг перейти к промышленному производству и внедрению разработанных датчиков.
Исследования проводились в рамках Федеральной космической программы России, "Программы оборонных НИР на 1996 - 2000 г.г,", фундаментальных и отраслевых НИР и ОКР Минобщемаща СССР и Росавиакосмоса: НИР «Фаза» № 1007-8603, НИР «Световод» №1007-8501, НИР «Задел» №1007-8601, НИР «Измерение» №1007-8103, НИР «Автоматика-1», выполняемого Федеральным ядерным центром ВНИИТФ по гособоронза-казу, дог. № 4 (546Н) от 06.07-1999 г, между ПГУ и НИКИРЭТ (ГУП СНПО «Элерон» г. Заречный Пензенской обл. (НИР "Сфера"),
Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке ВОД давления, а также внедрены в учебный процесс в Пензенском государственном университете на кафедре «Приборостроение».
В частности, эти результаты использовались при создании ВОДЦ аттенюаторного типа на диапазоны 0,..5, 0...10, 0..Л5» 0-,28 кгс/см2.
Разработаны макетные образцы датчиков; шифр ВОДЦ 001 (для измерения разности давлений), ВОДЦ 002 (для измерения избыточного давления).
Датчики ВОДД 001 и ВОДД 002 внедрены на предприятиях Федерального космического агентства.
Элементы общей теории и проектирования ВОДД агтенюаторного типа, материалы по расчету ВОПД аггешоаториого типа использованы в НИР «Автоматика-1», выполняемой ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ г. Снежинок Челябинской обл. по гособоронзаказу, а также в лекционном материале и лабораторном практикуме учебной дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы».
Автор благодарен сотрудникам Росавиакосмоса, РКК "Энергия", МГУЛ, ПГУ, НИИФИ, научная и практическая помощь которых помогли выполнить основную часть диссертационной работы и внедрить основные ее положения в реальные изделия и учебный процесс. Особая благодарность научному руководителю Горишу Л.В, и научному консультанту Му-рашкиной Т.И.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на НТС Росавиакосмоса, на Международной НТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (г. Пенза, 1999, 2002 г\г.), международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2003 і\).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 1 монография, 9 статей в центральных (в том числе международных) изданиях и межвузовских сборниках, 2 заявки на изобретения. Без соавторов опубликовано 3 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, 6 приложений. Основная часть изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 7 таблиц. Список литературы содержит 101 наименование. Приложения к диссертации занимают 20 страниц.
13 На защиту выносятся следующие положения:
1 Структурные, математические и метрологические модели, алго
ритмы преобразования сигналов амплитудных ВОДЦ аттенюатор ного ти
па,
Дифференциальный способ повышения точности измерения ВОДД аттенюатор но го типа, основанный на дифференциальном управлении световым потоком непосредственно на участке восприятия измерительной информации,
Методика расчета основных параметров оптического канала, при которых обеспечиваются повышенные метрологические характеристики амплитудных ВОДД аттенюатоного типа.
Новые конструкции дифференциальных аттенюаторов, обеспечивающие максимальные глубину модуляции и чувствительность преобразования, простоту юстировки элементов оптической системы,
Научное обоснование и новые технические решения амплитудных ВОД давления аттенюатор ного типа с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, внедрение которых позволит повысить эффективность систем контроля и испытаний изделий авиакосмической техники.
Оценка перспективности внедрения волоконно-оптических датчиков давления в системах контроля и испытаний изделий авиакосмической техники
В системах контроля и испытаний изделий авиакосмической техники на одном из первых мест стоят задачи измерения давлений. Современный уровень развития средств измерения избыточного, абсолютного давлений и разрежения от 7,5 мм рт. ст. до 40 мм рт. ст. характеризуется широким спектром различных принципов преобразования физической величины (избыточного или абсолютного давлений) в электрический параметр.
В приложении А в таблице А1 приведены основные технические характеристики зарубежных датчиков избыточного давления.
Анализ зарубежных проспектов и обзорной информации по фирмам "Sensotec", "Bell and Howell , "Statham \ "Gould" и другие (США), " EBM" , "Philips Electronic", "Eckard" , "Rosemount" , "Endress Hauser", "AVL" (Австрия), " Hartraan und Braum" (ФРГ), "Kistler" (Швейцария) и других показал, что в зависимости от условий эксплуатации и, конструктивного исполнения погрешности линейности и вариации колеблются от 0,05 % до 0,75 %э по чувствительности нуля к температуре от 0,05 до 0,08 % и чувствительности по давлению от 0,003 до 0,08 % с высокой стабильностью нуля в процессе эксплуатации,
В России наиболее известны общепромышленные измерительные преобразователи типа Сапфир-22 (абсолютное и избыточное давление, давления-разряжения) и датчики давления ФГУП НИИ физических измерений (г. Пенза). Преобразователи типа Сапфир предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемого параметра контрольных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.
Датчики давления ФГУП НИИФИ разрабатываются в основном для объектов АКТ и имеют высокие технические характеристики, отвечаіощие жестким требованиям, характерным данным объектам. Для примера Б приложении Л в таблице А.2 приведены технические характеристики некоторых датчиков давления, разработанных в ФГУП НИИФИ.
В то же время все вышеперечисленные датчики относятся к «токовым», то есть принцип действия их в той или иной мере связан с преобразованием параметров электрического тока или напряжения. Соответственно, эти датчики не могут считаться абсолютно искро-взрыво- пожаробезопасными.. Эти датчики не могут быть использованы при создании волоконно-оптических систем сбора и преобразования измерительной информации.
С целью определения перспективности использования ВОДД при контроле и испытаниях летательных аппаратов и их систем был рассмотрен ряд известных технических решений ВОДД, проведен патентный анализ по следующим направлениям: - способы измерения параметров давления; - конструктивные и схемные исполнения волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД); -конструктивные и схемные исполнения отдельных компонентов ВОДД.
Одновременно решался вопрос, где наиболее эффективно использование ВОДД» на каких объектах и в каких системах. На этапе проведения патентных исследований, сбора и систематизации научно-технической информации по волоконно-оптической датчико-вой аппаратуре для измерения давления, сравнительном анализе характеристик датчиков, разных по конструктивному исполнению, были выбраны наиболее близкие по технической сущности к решаемой задаче (Приложение А таблица A3).
Рассмотренные технические решения имеют ряд недостатков: высокие потери оптической мощности из-за несогласованности апертуры источника излучения и подводящего оптического волокна, существенные неинформативные потери светового потока в зоне измерения, сложность и ненадежность конструкции, большие габаритные размеры, сложность технологического изготовления. В тоже время отдельные идеи могут быть использованы частично при создании ВОДД с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками. В частности интересным представляется техническое решение №1 из таблицы A3, в котором высока эффективность использования светового потока за счет применения шторки с круглым отверстием, закрепленной на мембране датчика. Но технологические трудности, обусловленные необходимостью точной юстировки элементов оптической системы, требуют нового подхода при использовании данного технического решения. Вопросы, связанные с конструированием высокотехнологичных и надежных ВОДД, занимают существенное место в данной работе.
Кроме того, большинство известных технических решений ВОДД имеют большую дополнительную погрешность, обусловленную воздействием ВВФ, поэтому в диссертации решается задача снижения этих погрешности за счет применения дифференциальной схемы датчика и нового конструктивного исполнения сборки и конструкции волоконно-оптического кабеля.
Преобразование светового потока в оптическом канале волоконно-оптического датчика давления аттенюатор но го типа
При вводе излучения в ОВ возникают определенные трудности, обусловленные несогласованностью параметров источника излучения (например светодиода) и подводящего оптического волокна. Количество введенной в ОВ энергии существенно зависит от его числовой апертуры NA. Так как ОВ захватывает только те лучи, которые заключены внутри конуса с максимальным углом 6(\и, то потери на ввод будут иметь место, если конус излучения источника излучения (ИИ) превышает конус, определяемый числовой апертурой ОВ.
Диаграмма направленности излучения серийно выпускаемых СД отличается неравномерностью по взаимно перпендикулярным осям У и Z в сечении А-А, перпендикулярном продольной оси X (рисунок 2.2,а) [66]. Картина поля в дальней зоне для выходного пучка ПЛ представляет собой эллипсоид, расширяющийся в направлении, перпендикулярном поверхности p-n-перехода лазера (рисунок 2.2, в). Угол расходимости светового пучка в направлении, перпендикулярном поверхности перехода, 01=30...60, а в направлении, параллельном поверхности перехода, 011=10...30.
СД с торцевым излучением в направлениях, лежащих в плоскости пучка перехода, имеет место расширение пучка излучения в соответствии с законом Ламберта [66], В направлениях, перпендикулярных плоскости перехода, угол излучения сравнительно небольшой (рисунок 2.2, б).
Диаграммы направленности излучения, создаваемые поверхностью СД показаны на рисунке 2.3 [66]. Распределение излучения диода поверхностного типа аппраксимируется распределением по cos Є (кривая 1), то есть они являются ламбертовскими источниками. Интенсивность излучения падает приблизительно вдвое при угле 120. Распределение СД с торцевым излучением аппроксимируется распределением по (cos) \ то есть более направленное (кривые 2 и 3). Потери при вводе излучения в ОВ у СД с торцевым излучением на несколько децибелл меньше, чем у СД с поверхностным излучением (рисунок 2.4).
При проектировании и разработке узла юстировки УЮ1 важно не только достичь ожидаемой величины коэффициента ввода, но и определить влияние допустимых механических рассогласований на потери в соединении. Насколько жесткие требования предъявляются к узлу юстировки, можно видеть из приведенного на рисунке 2.5,а графика роста потерь Пг на ввод излучения в зависимости от радиального рассогласования Лг оптических волокон (NA=0,14) со ступенчатым профилем и малыми поте--рями и центра излучающей площадки светодиода диаметром 50 мкм [20]. Входное соединение крайне чувствительно к радиальному рассогласованию. Для получения потерь меньше 1 дБ это рассогласование должно быть меньше 20 мкм. Несоосность центра ОВ и центра светодиода в 50 мкм приводит к увеличению потерь на ввод до 8 дБ.
Влияние разъединения ИИ и ОВ в осевом направлении АІ и углового рассогласования Л(р оси источника относительно оси ОВ на потери 77/ и П9 при вводе показано на рисунке 2.5, бив. Эффективность ввода в соединении сравнительно нечувствительна к разъединению ОВ и светодиода. Например, увеличение зазора между светодиодом и ОВ на 150 мкм увеличивает потери в соединении меньше, чем на 1 дБ, в то время как наклон оси ОВ по отношению к поверхности светодиода на угол порядка 10 увеличивает потери примерно на 0,25 дБ. Эти данные хорошо согласуются с характерными для ламбертовских источников излучения диаграммами направленности излучения.
При проектировании амплитудных ВОДД на первый план выступают вопросы, связанные с распределением плотности мощности по сечению пучка света, несущего регистрируемую информацию, характер изменения структуры излучения в зоне измерения.
Из-за сложности математической формализации до настоящего времени не уделяется внимание распределению яркости на выходе ОВ и в зоне измерения ВОП с открытым оптическим каналом [49, 50].
Визуальная оценка распределения изображения в виде цветовой или квазитрехмерной видеограммы [72] позволяет только определить, в каком направлении необходимо проводить анализ и не позволяет обосновать оптимальное месторасположение в зоне измерения управляющих устройств -аттенюаторов, подводящих и отводящих оптических волокон и других элементов оптической системы. В то же время для достижения требуемых метрологических характеристик ВОДД очень важно на этапе конструирования знать, как распределен в разрыве ОК поток излучения. Формализованное представление распределения плотности мощности оптического излучения в пространстве зоны измерения ИГТ позволит определить рациональное местоположение аттенюатора относительно рабочих торцов подводящих и отводящих ОВ.
Для этого рассмотрим структуру пучка света, сформированного, излучающим торцом ОВ, подводящего свет в зону измерения. Известно, что в результате множества отражений внутри ОВ происходят симметризация пучка лучей относительно оптической оси ОВ и усреднение освещенности по выходному (излучатёльному) торцу волокна [16]. Симметризация приводит к тому, что узкий конический пучок лучей, падающий под некоторым углом на входной торец ОВ с прямыми торцами, на выходе заполняет пространственную зону, ограниченную двумя близкими коаксиальными поверхностями. Таким образом, в сечении, перпендикулярном оптической оси, наблюдается кольцевая зона.
Структура пучка света, сформированного излучающим торцом подводящего свет в зону измерения ОВ, представляет собой совокупность элементарных параллельных пучков, испускаемых каждой точкой торца ОВ, и соответственно имеет достаточно сложную структуру. В то же время с достаточной точностью можно в структуре пучка выделить две области: внутреннюю I и внешнюю II (рисунок 2.6, а).
Образующие области I (лучи 1 и 2) представляют собой лучи, идущие из края сердцевины ОВ диаметром dc под апертурным углом 6\у к оптической оси и пересекающие ее в точке А на расстоянии L ? =ci(/2tg(E xA, которая называется дистанцией формирования пучка [41]. Область II ограничена снаружи конической поверхностью, образованной габаритными лучами 3 и 4, идущими из края сердцевины излучающего торца ОВ под углом Окл7 а изнутри внутренней конической поверхностью.
Сечение пучка плоскостью В-В, перпендикулярной оптической оси, имеет соответственно круговую I и кольцевую II зоны (рисунок 2.6,6). Энергетическая освещенность Esi площадки S1 радиусом (rc-Xitg0 .4), создаваемая излучателем в виде круглого диска, в роли которого выступает параллельный поверхности S1 излучающий торец ОВ с постоянной во всех направлениях яркостью поверхности Le, в сечении В-В, расположенном на расстоянии ХІ ХА ОТ торца ОВ, определяется известной формулой [81].
Выбор конструкции предельных аттенюаторов
В ВОДД аттенюаторного типа дифференциальное управление световым потоком можно осуществить, применив в качестве аттенюатора непрозрачный экран с двумя отверстиями. На рисунке 3.3 приведены возможные варианты конструктивного исполнения дифференциального аттенюатора (ДА) - непрозрачного экрана с двумя отверстиями квадратной и круглой формы, центры которых смещены на величину Гс.
На приемные торцы двух ООВ, расположенных в сечении А-А на расстоянии L от излучающего торца ПОВ, спроецировано в виде круглого пятна SAA изображение излучающего торца ПОВ.
Модуляция светового потока с помощью ДА- непрозрачного экрана с отверстиями а - квадратной формы, б - круглой формы го и нижняя половина второго ООВ. При этом потоки, поступающие на каждое волокно, Фі и 02, равны между собой. Если шторка смещается, то происходит перераспределение светового потока между отдельными ООВ: в первое ООВ поступает оптический сигнал (Фі-АФ), во второе ООВ поступает оптический сигнал (Ф2+АФ).
Таким образом, (Ф\ Ф = /(%) В этом случае наблюдается удвоение чувствительности преобразования. При Z,=0 потоки излучения, поступающие на каждое волокно, Фю и Ф2о, равны между собой, с устройства сравнения в этом случае снимается нулевой сигнал Фю - Ф2о =0. При Z,=Zmar одно ООВ полностью закрывается шторкой (Фі=0), а второе полностью открывается - совмещается с одним из отверстий (Ф2=тах). В этом случае максимальное значение оптического СИГНала Фтах 2Ф20,.
На рисунке 3.4 приведены теоретические зависимости Фі =/(2),Ф2 =f(Z) и Ф =(Фі-Ф =f(Z) при модуляции светового потока с помощью дифференциального аттенюатора с квадратными отверстиями, из которых видно, что кроме удвоения чувствительности преобразования происходит и линеаризация выходной зависимости Ф =f(Z).
Зависимости Ф Щ, Фг=4&), Ф=ФГФ2=Я1) ВОПД с дифференциальным аттенюатором с круглыми отверстиями Таким образом, Ф//Фл= f(Z). В этом случае снижается влияние на точность измерения таких факторов, как неинформативные изгибы ВОК, изменения мощности излучения ИИ и чувствительности ПИ.
При Zi-О потоки излучения, поступающие на каждое волокно, Фю и Ф20, равны между собой, соответственно, значение оптического сигнала Ф=Фн/Ф2о=1. При Zi=Zmax одно ООВ полностью закрывается шторкой (Фі-O), а второе полностью открывается - совмещается с одним из отверстий (Ф2-тах)% тогда Ф=Ф/Ф2=0.
При обработке сигналов ВОДД для улучшения метрологических характеристик, в частности - для повышения чувствительности преобразования, исключения влияния на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности излучения ИИ, чувствительности ПИ, целесообразно сформировать ОТНОШеНИе (Фі Ф2)/(Фі + Ф2) При использовании дифференциальных предельных аттенюаторов необходимо решить вопрос выбора оптимальной формы аттенюатора или отверстия в нем. Кроме того, от конструкции аттенюатора зависит выбор количества ПОВ и ООВ, расположение ПОВ и ООВ относительно аттенюатора. Перечисленные параметры существенным образом влияют на ряд метрологических характеристик: величину вносимого затухания, чувствительность преобразования, глубину модуляции оптического сигнала, линейность выходной характеристики. Оказывает влияние на перечисленные метрологические характеристики и распределение освещенности в плоскости расположения приемных торцов ООВ, определяемое расстоянием, на котором расположены ООВ относительно ПОВ. Автором в соавторстве разработано несколько вариантов дифференциальных аттенюаторов [56].
На рисунках 3.5 - 3.7 приведены предложенные варианты взаимного расположения ООВ двух измерительных каналов относительно дифференциальных аттенюаторов различного конструктивного исполнения. Первый вариант рассмотрен выше (см. рисунок 3.3). Необходимо только добавить, что в этом случае ООВ расположены от излучающего торца ПОВ на расстоянии Ь Ьф, соответствующем дистанции формирования луча, поэтому облученность площадки SAA резко уменьшается при удалении от оптической оси волоконно-оптического преобразователя (ВОП) (см. п.п.2.2.2), Нелинейное распределение освещенности не будет оказывать влияния на результат измерения, если ООВ двух измерительных каналов будут расположены симметрично относительно оптической оси ПОВ. Данное обстоятельство можно отнести к недостатку, так как требуется точная юстировка ООВ относительно ПОВ и отверстий аттенюатора. Кроме того, требуется достаточно точное изготовление отверстий аттенюатора.
Этого недостатка не имеет дифференциальный аттенюатор, конструктивная схема которого приведена на рисунке 3.5. Но при этом ООВ необходимо располагать в плоскости, где распределение освещенности равномерное, то есть когда диаметр зоны I равен диаметру dc сердцевины ОВ (см. п.п. 2.2.2). В этом случае не требуется точная юстировка ОВ относительно друг друга и отверстия аттенюатора, что является существенным достоинством данного технического решения. В то же время уменьшится облученность приемных торцов ООВ, так как увеличивается площадь SAA.
Влияние волоконно-оптического кабеля на эксплуатационные характеристики волоконно-оптических датчиков давления и способы их улучшения
В работах [16, 22, 26, 67] подробно рассмотрены вопросы распространения света по ОВ и волоконно-оптическим кабелям (ВОК) систем связи при воздействии различных внешних влияющих факторов (ВВФ). С большой доли точности данные теоретические и экспериментальные исследования можно распространить на ВОК, используемые в ВОДД авиационно-космической техники. Но необходимо учесть ряд отличительных особенностей, среди которых конструктивно-технологические, эксплуатационные, метрологические, вносящие определенные ограничения на применение.
Конструктивно-технологические особенности
В настоящее время отсутствуют серийно изготавливаемые ОВ для измерительной техники. Поэтому приходится использовать ОВ, изготавливаемые для техники связи, или изготавливать ОВ по специальным заказам.
При разработке ВОДД на принципе амплитудной модуляции оптического сигнала целесообразно использовать ОВ с большой апертурой и максимально возможным диаметром поперечного сечения сердцевины для обеспечения ввода максимально возможной мощности от источника измерения в зону измерения по ПОВ (см. п. 2.2.1).
Ввиду того, что ВОДД на изделиях РКТ эксплуатируются не только при повышенных, но и при пониженных температурах, необходимо.использовать "кварц-кварцевые" ОВ. "Кварц-полимерные" ОВ не пригодны в данном случае, так как у них зависимость ослабления оптического сигнала от температуры ниже О С выражается очень резко [70].
В отличие от оптических кабелей для техники связи, которые изготавливаются на специализированных предприятиях по соответствующим ТУ или ОСТ, ВОК целесообразно изготавливать на предприятиях-изготовителях ВОДД с целью обеспечения требуемых метрологических характеристик.
Конструкция ВОК должна обеспечивать защиту ОВ от повреждения во время изготовления, прокладки и эксплуатации ВОДД.
Эксплуатационные особенности ВОК в ВОДД может находиться под воздействием различных дестабилизирующих факторов: механических нагрузок (вибрации, механического удара, линейного ускорения), давления, температуры, и т,д. Поэтому вопросы учета и уменьшения этого влияния в процессе проектирования имеют весьма важное значение.
На ВОК возможно воздействие нагрузок следующих видов; осесим-метричной (равнохмерно распределенной по длине и окружности сечения ОВ), односторонней поперечной, сжимающей или растягивающей, скручивающей, изгибающей.
Соответственно при разработке ВОДД возникает ряд проблем, связанных с низкой механической прочностью ОВ: - во-первых любые механические воздействия негативным образом отражаются на механической прочности ОВ: удары, вибрации, изгибающие воздействия, сдавливания ведут к возникновению трещин в стекле. Микротрещины снижают светопропускание волокна и, соответственно, вносят погрешность в результат измерений- Большие трещины ведут к полному разрушению ОВ, что равнозначно полному выходу из строя ВОД, - во-вторых использование ряда клеящих составов для фиксации конструктивных элементов, в состав которых входят ОВ, или для герметизации отдельных зон снижает упругие свойства ОВ. Отдельные технологические процессы, предусмотренные техническими условиями на клеящие составы, не соответствуют техническим условиям эксплуатации ОВ, что, в конечном счете, сказывается на технических характеристиках, как ОВ, так и ВОДД в целом.
Наиболее часто встречаются отказы из-за поломок БОК в процессе изготовления ВОДД- В составе датчика ВОК испытывает механические воздействия во время юстировки, настройки, аттестации, различных видов-испытаний. Большинство перечисленных операций проводится разными людьми в разных цехах и подразделениях, поэтому требований в документации по бережному обращению с ВОК недостаточно. Обязательно возникают нештатные ситуации, связанные с непредвиденными механическими воздействиями на ОВ.
Предполагается, что при эксплуатации ВОД большая часть ВОК будет жестко закреплена на объекте, то есть, не будет подвержена неинформативным механическим воздействиям, чего нельзя сказать о процессе изготовления датчика.
Анализ отказов ВОДД Все вышесказанное привело к необходимости проведения анализа наиболее часто встречающихся отказов в процессе изготовления с целью принятия соответствующих мер по их исключению.
Во время сборки, аттестации и испытаний наиболее часто встречаются поломки, обусловленные изгибающими или крутящими воздействиями, причем, как правило, они проявляются в зоне, расположенной в непосредственной близости от зоны измерений, то есть там, где общий торец ВОК соединен с корпусом ВОДД (рисунок 4.5).
