Амплитудные волоконно-оптические датчики для информационно-измерительных систем Мурашкина, Татьяна Ивановна

Введение к работе

Актуальность работы. В России ведутся интенсивные разработки в области создания внутриобъектовых волоконно-оптических сетей сбора данных (ВОССД), обеспечивающих более эффективное использование информации о состоянии объекта в сравнении с традиционными информационно-измерительными системами (ИИС) в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и повышенной искро- взрывоопасное так как используют в качестве передающей физической среды оптические волокна (ОВ). Внутриобъекговые ВОССД базируются на линиях небольшой протяженности (в несколько десятков метров) и представляют интерес при передаче информации на кораблях, самолетах, электростанциях, коммуникационно-распределительных узлах энергосистем. Наиболее перспективно внедрение ВОССД на объектах ракетно-космической техники (РКТ), авиационной, морской, наземной военной техники (ВВТ), где особенно высоки требования по искро- взрывобезопасиости.

Внедрение ВОССД позволит решить задачу дальнейшего уменьшения веса (почти в 2 раза) измерительных средств и кабельных сетей на борту космических аппаратов (КА) и ракет-носителей. Совершенствование существующих электрических ИИС не ведет к решению данной проблемы, так как их резервы в части снижения веса практически исчерпаны.

ВОССД выполняет функции не только передачи, но и получения измерительной информации, поэтому в структуре такой системы обязательно наличие ВОД. В настоящее время серийно изготавливаемые ВОД для изделий РКТ и ВВТ практически отсутствуют. Существующие ВОД не имеют единой методологии построения, чаще всего рассчитаны на работу в лабораторных условиях и неработоспособны при воздействии жестких внешних влияющих факторов (ВВФ) РКТ. Отсутствуют информационная, параметрическая и конструктивная совместимость ВОД с ВОССД. Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы их разработок являются сдерживающим фактором в создании и внедрении ВОССД, поэтому создание отечественных ВОД как основных компонентов ВОССД с метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающими условиям и требованиям РКТ, является актуальной задачей.

В этой связи можно говорить о необходимости формирования самостоятельного научно-технического направления, содержанием которого должна являться разработка на единой методологической основе ряда унифицированных базовых технических решений ВОД с повышенными метрологическими (MX) и эксплуатационными характеристиками (ЭХ).

Основные теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами многих отечественных ученых: В.И. Бусурина, М.М. Бутусова, В.М. Гречишникова, И.И. Гроднева, Е.А. Зака, В.Г. Жилина, Б.А.Красюка, Н.Е. Конюхова, Я.В. Малкова, Ю.Р.Носова, А.Л. Патлаха,

В.Т. Потапова, Д.К.Саттарова и других. В то же время большинство известных публикаций посвящено исследованию принципов построения или созданию узкоспециализированных ВОД. Многие технические решения реализованы только на функциональном уровне. В научно-технической литературе слабо отражены особенности проектирования ВОД для изделий, эксплуатируемых в условиях РКТ, а также вопросы, связанные с применением ВОД в качестве элементов внутриобъектовых ВОССД, соответственно не рассматриваются конструктивно-технологи-ческие особенности и не дается оценка их метрологических и эксплуатационных возможностей в данных условиях.

Цель и задачи исследований. ОСНОВНАЯ ЦЕЛЬ РАБОТЫ - научное обоснование, разработка единой методологии построения и создание банка унифицированных базовых конструкций амплитудных ВОД различных физических величин (ФВ) для ВОССД с метрологическими и экс-плуа тациониыми характеристиками, отвечающими требованиям РКТ.

Эта цель достигается решением следующих задач:

1. определением научных проблем создания ВОД для РКТ;

2. разработкой единой методологии построения ВОД, в основу которой предполагается закладывать не измеряемую физическую величину (ФВ) и пределы ее изменения (если решается узко сформулированная задача), а принципиальные особенности ВОД в целом;

3. разработкой предложений по составу общих технических требований (ОТТ) к ВОД и параметров сопряжения ВОД с ВОССД;

4. разработкой структурных, математических и метрологических моделей, алгоритмов преобразования сигналов амплитудных волоконно-оптических преобразователей (ВОП) и ВОД;

5. разработкой на единой принципиальной, конструктивной, технологической и метрологической основе типовых базовых решений физической реализации ВОП минимального номенклатурного состава, позволяющих при незначительной модификации на их основе создать гамму ВОД для измерения различных ФВ в различных условиях;

6. теоретическим анализом метрологических и эксплуатационных возможностей ВОД, применяемых в условиях РКТ; разработкой новых методов повышения точности измерений ВОД на основе компенсационного и дифференциального управления световым потоком (СП) в оптическом канале (ОК);

7. проведением исследований н анализом технических возможностей экспериментальных образцов ВОД.

Методы исследований. При разработке математических и физических моделей ВОП и ВОД использовались основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, применялись методы математической физики, теории упругости, теории теплопередачи, прикладной механики. При решении задач по анализу и синтезу ВОП и ВОД 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. Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями реальных образцов ВОД.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1 Разработана методика проектирования амплитудных ВОД для
ВОССД.

Стержнем теории, определившим особенности проектирования ВОД, явилось выделение ОК как объекта управления, на параметры которого направлены управляющие воздействия, обеспечивающие требуемые MX и ЭХ ВОД и преемственность технических решений ВОД различных ФВ.

2. Предложен и теоретически обоснован новый подход к проектированию амплитудных ВОД, эксплуатируемых в условиях, характерных объектам РКТ, который предполагает отсутствие механических информативных и неинформативных изгибов волоконно-оптического кабеля (ВОК).

3. Разработаны алгоритмы управления СП, обеспечивающие требуемые энергетические соотношения и рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерений ОК, методы выбора управляющих устройств (УУ), схемы систем управления оптическим каналом.

4. Разработана методика определения и расчета основных параметров амплитудных ВОП и ВОД. Создана методическая база для расчета ВОП отражательного, аттенюаторного типов и на нарушении условия полного внутреннего отражения (ПВО) в оптических насадках: перемещения, положения, уровня и идентификации типа жидкости, частоты вращения, давления, ускорения, температуры.

Разработан метод энергетического расчета участка ВОССД с амплитудными ВОП с открытым ОК.

5 Разработана методика оценивания погрешностей амплитудных
ВОД: получены основные аналитические выражения точностных характе
ристик ВОД, дана оценка влияния различных источников погрешностей
на результат измерений. '

Впервые ВОК рассматривается как объект метрологической модели, влияющий на большинство метрологических характеристик ВОД.

6 Разработаны новые методы улучшения MX ВОД:

метод дифференциального управления световым потоком непосредственно в зоне измерений, позволяющші разрабатывать ВОД с заранее прогнозируемым вносимым затуханием, с требуемыми глубиной модуляции (ГМ) светового сигнала и чувствительностью преобразования (ЧП);

метод взаимной компенсации неинформативных изменений параметров ОК при изменении температуры окружающей среды;

- амплитудно-фазовый способ преобразования сигналов с выхода
ВОП, позволяющий снизить погрешность, обусловленную изменением
энергетических параметров источников (ИИ) и приемников (ПИ) излуче
ния, и линеаризовать выходную зависимость ВОД;

7. Разработаны новые конструктивно-технологические методы улучшения ЭХ ВОД, основанные на проведении мероприятий по защите потенциально ненадежных элементов конструкции ВОД.

8. На основе полученных обобщений и проведенных исследований ОК, обеспечивающие требуемые MX и надежное функционирование ВОД в условиях эксплуатации, характерных объектам РКТ.

Практическая значимость работы. Работа обобщает многолетние исследования и разработки, проведенные при непосредственном участии и научном руководстве автора в НИИ физических измерений (НИИФИ) г.Пензы и продолженные в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре "Приборостроение", и способствует решению крупной научно-технической проблемы создания амплитудных волоконно-оптических датчиков с повышенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для внедрения их в ВОССД систем РКТ.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, "Программы оборонных НИР на 1996 - 2000 г.г.", "Комплексной программы НИР и ОКР по созданию средств измерений (СИ), контроля и диагностики для КА, испытательных центров наземной экспериментальной базы" на период до 2010г. (исх. № 210/-2226 от 26.11.96 г. РКА) в соответствии с тематическим планом НИИФИ по темам "Оптика-2", "Средства измерений", "Русь", а также госбюджетной НИР "ФАЗА." (№ ГР Ф28335), ОКР по дог. № 184-80 между НИИФИ и РКК "Энергия" г. Королев, дог. № 536-88 между ЦНИИМАШ г.Королев и НИИФИ, госкоптр. № 783-4821/93 от 30.04.93г. и доп. согл. № 3 от 01.03.94г. (НИР "Орех"), дог. № 211-93 с ГУ РКТ (НИР "Универсал"), дог. № 225-93 от . между НИИФИ и ЦНИИИ 22 МО РФ г. Мытищи Моск. обл. (НИР "Интерфейс-4", основание Постановление Правительства РФ от 16.12.92 г. № 980-66), контракта № 228-95 от 03.01.95г. между НИИФИ и ЦСКБ г. Самара (НИОКР "РУСЬ"), госконтр. № 783-5164/95 от 11.04.95г. "Создание первичных СИ, контроля и диагностики для изделий РКТ" (ОКР "Арахис"), дог. № 53/НПА-93 от 01.04.93г. между НПА "Сура" г. Королев Московской обл. и НИИФИ.

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использованы при разработке ВОД некоторых ФВ, разработке стандарта и внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании:

- ВОД давления (ВОДД) отражательного типа на диапазоны 0...5,
0...10, 0...15, 0...28 кгс/см². Разработаны опытные образцы ВОДД: шифр
ДО 001 (безлинзовый вариант), ДО 002 (линзовый вариант);

ВОД положения (ВОДП) отражательного типа с зонами срабатывания 0...8, 0...12 мм. Разработаны опытные образцы ВОДП: шифр ПО 001 (безлинзовый вариант), ПО 002 (линзовый вариант);

ВОД уровня жидкости (ВОДУ), сигнализирующего о наличии в зоне измерения жидкости с коэффициентами преломления более 1,2. Разработаны опытные образцы ВОДУ: шифр БО 001.

Датчики ДО 001, ПО 001, БО 001 внедрены на предприятиях Российского авиационно-космического агентства: ЦСКБ г.Самара, НИИФИ г.Пенза, РКК "Энергия" г. Королев Московской обл.

Отдельные результаты работы, выполненной автором в рамках НИР "Интерфейс-4", внедрены в ГОСТ Р В 50899-96 "Сети сбора данных волоконно-оптические на основе ВОД. Общие требования".

В ПГУ результаты работы внедрены во всех видах занятий по проектированию СИ (лекции, курсовое проектирование, лабораторный практикум), в частности, в дисциплине "Теория, расчет и проектирование ВО измерительных приборов и систем". В учебный процесс внедрены: элементы общей теории и основы теории проектирования ВОД, основные понятия о принципах построения ВОП, материалы по расчету ВОП.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на научно-техническом семинаре (НТС) Крымского филиала НИТИП (г. Симферополь, 1986 г.), Всесоюзном НТС "Оптоэлектронные датчики для роботизированных комплексов и ГПС" (г. Фергана, 1988 г.), Всесоюзных и международных научно-технических конференциях (НТК) "Методы и СИ механических параметров в системах контроля и управления" (г.Пенза, 1988, 1989, 1990, 1991, 1992, 1994, 1999 г.г.), НТК "Оптоэлектронные информационные системы и средства" (г. Москва, 1990 г.), Всесоюзной НТК "Микроэлектронные датчики в машиностроении" (г.Ульяновск, 1990 г.), Всесоюзной НТК "Оптические сети связи" (г.Москва, 1991 г,), IV Международной НТК "Точность технологических и транспортных систем" (г.Пенза, 1998 г.), Всероссийской НТК "Состояние и проблемы технических измерений" (г. Москва, 1998г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 работ, из которых 1 монография, 13 авторских свидетельств и 5 патентов, 16 статей в центральных изданиях (в том числе международных) и межвузовских сборниках, 2 учебных пособия. Без соавторов опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста (380 стр.), заключения, списка литературы, включающего 143 наименования, 8 приложений. Основная часть содержит 123 рисунка, 17 таблиц.