Введение к работе
Актуальность работы. В России ведутся работы по совершенствованию и созданию различных волоконно-оптических систем, их компонентов, устройств и технологии изготовления самих оптических волокон. Достаточно отработаны и уже широко используются волоконно-оптические линии связи, которые являются одним из важных направлений развития перспективных способов передачи информации в телекоммуникационных системах. Ведутся интенсивные разработки в области создания внутриобъектовых волоконно-оптических информационно-измерительных и управляющих систем (ВОИИС) для космической и авиационной техники, 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 пожаро-, взрыво-, электроопасности.
Одним из основных недостатков, сдерживающих внедрение ВОИИС, является зависимость результатов измерений от возможных изгибов оптических волокон. Анализ возможных принципов построения ВОИИС показал, что данный недостаток устранен в ВОИИС на основе волоконно-оптических преобразователей (ВОП) с открытым оптическим каналом (ООК). В то же время ВОП с ООК имеют ряд других недостатков: они имеют низкую чувствительность преобразования, неоптимизированную конструкцию вследствие трудности математического описания модели ВОП, низкую устойчивость оптической системы ВОП к изменениям конструктивных параметров, что существенно снижает метрологические характеристики ВОИИС. В этой связи ставится задача разработки математического аппарата функционирования ВОП с ООК в составе ВОИИС, обеспечивающего решение указанных проблем.
Основные теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами многих отечественных ученых: В. Д. Буркова,
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, Т. И. Мурашкиной, Ю. Р. Носова, А. Л. Патлаха, В.Т. Потапова, Д. К. Саттарова и др. В то же время в большинстве известных публикаций указанных ученых рассматриваются вопросы принципов построения ВОП и существенно меньше уделяется внимания математической формализации процессов, происходящих в оптической системе ВОП. Подобная ситуация сдерживает разработку конкурентоспособных ВОД различных физических величин.
Развитие теории модуляции оптических сигналов в зоне восприятия измерительной информации, определение рационального пространственного распределения мощности светового потока в зоне ВОП с ООК, получение общих и частных математических моделей функций преобразования ВОП с ООК, позволяющие улучшить метрологические и эксплуатационные характеристики ВОИИС, представляют собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное социально-экономическое значение.
Цель исследований. Целью диссертационной работы является исследование возможности и путей улучшения метрологических характеристик существующих и новых ВОИИС для космической и авиационной техники на основе оптимизации значений конструктивных параметров оптической системы ВОП.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1 Научным обоснованием перспектив развития ВОИИС на базе ВОП с ООК путем улучшения их метрологических характеристик.
2 Описанием структуры ВОИИС в виде динамических систем с распределенными параметрами, что позволило применить методы идентификации их динамических характеристик.
3 Развитием теории модуляции светового потока в ВОП с ООК, состоящей из следующих этапов:
математической формализации критериев управления световым потоком, определяющих основные метрологические характеристики ВОП;
позиционирования подводящих и отводящих каналов, путем выбора способа компоновки ОВ в каналах ВОП, с целью уменьшения аддитивной составляющей погрешности распределения светового потока и увеличения его интенсивности;
выбора и обоснования основного математического аппарата описания физических процессов, происходящих в пространстве оптической системы ВОП;
моделирования прохождения светового потока через оптическую систему ВОП с различными модулирующими элементами;
разработки математических моделей ВОП и алгоритмов преобразования сигнала в оптической системе ВОП, в том числе в ВОП с дифференциальной и компенсационной схемами, с целью рационального выбора их конструктивных параметров.
4 Подтверждением предлагаемой теории путем проведения испытаний макетных образцов ВОП с ООК для ВОИИС.
5 Обоснованием адекватности теоретических моделей функций преобразования и экспериментальных функций преобразования ВОП с ООК на примере ИИС линейных и угловых перемещений, параметров вибраций на основе ВОП с модулирующим элементом в виде шаровой линзы, ВОП определения уровня жидкости.
Методы исследования. При проведении исследований использованы методы математического анализа, линейной алгебры и аналитической геометрии; математического, имитационного моделирования; математической физики, прикладной механики, решения оптимизационных задач, теории геометрической и волоконной оптики; теории идентификации и восстановления входных сигналов, имитационное моделирование на ЭВМ.
Достоверность полученных теоретических результатов и выводов подтверждена экспериментальными исследованиями макетных образцов волоконно-оптических датчиков на основе ВОП, созданных с использованием разработанных математических моделей и рекомендаций по их проектированию, и совпадением полученных результатов с экспериментальными и расчетными данными.
На защиту выносятся:
1 Теория управления модуляцией светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом, позволяющая путем оптимизации параметров ВОП построить функцию преобразования с заданными свойствами, существенно повышающими надежность информационно-измерительных и управляющих систем космической и авиационной техники, включающая в себя:
математическую модель функции преобразования оптической системы ВОП, учитывающую физические особенности распределения светового потока с излучающего торца оптического волокна ВОИИС;
критерии оптимизации функции распределения светового потока: линейности функции преобразования ВОП, чувствительности преобразования и глубины модуляции ВОП по измеряемому параметру, позволяющие улучшить основные метрологические характеристики ВОИИС;
математические модели, алгоритмы преобразования сигналов ВОП с модулирующими элементами в виде поверхностей с разными коэффициентами отражения и преломления, позволяющие оптимизировать конструктивные параметры ВОП.
2 Метод преобразования оптических сигналов, основанный на дифференциальном управлении световым потоком дифференциальными управляющими элементами, позволяющий путем позиционирования элементов оптической системы ВОИИС существенно уменьшить аддитивную составляющую погрешности интенсивности функции распределения светового потока.
3 Методика проектирования оптической системы ВОП для ВОИИС на основе параметрической модели функции преобразования ВОП с открытым оптическим каналом.
4 Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований по определению конструктивных параметров ВОП, подтверждающие адекватность предложенной параметрической модели и ВОИИС на ее основе.
Новизной научных результатов являются:
1 Теория управления модуляцией светового потока в пространстве ВОП с ООК, учитывающая физические особенности распределения светового потока на излучающем торце подводящих оптических волокон в виде полого усеченного конуса.
Использование параметрической модели ВОП при проектировании оптической системы ВОП с ООК на основе критериев оптимизации функции распределения светового потока.
Алгоритмы преобразования светового потока на выходе излучающего торца подводящего оптического волокна, позволяющие определить местоположение сечений равномерного распределения освещенности.
Комплекс базовых функций преобразования ВОП с модулирующими элементами в виде поверхностей с разными коэффициентами отражения и преломления, обеспечивающих определение конструктивных параметров с улучшенными метрологическими характеристиками ИИС.
2 Способ улучшения метрологических характеристик ВОП, основанный на дифференциальном управлении световым потоком непосредственно на участке восприятия измерительной информации с применением модулирующих элементов в виде поверхностей с разной кривизной и сред с разными коэффициентами отражения и преломления. Создание новых схем компоновки оптических волокон в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля.
3 Методика проектирования оптической системы ВОП с ООК основана на использовании параметрической модели функции преобразования с определенными в процессе проектирования свойствами.
Для научного обоснования разработанных технических решений проведены следующие исследования и разработки:
1 Выполнен анализ и развит математический аппарат (на основе лучевой и волновой оптики) теории распространения и преобразования светового потока в оптической системе ВОИИС.
2 Выведены функции распределения светового потока в ВОП с ООК с различными модулирующими элементами.
3 Осуществлена математическая формализация критериев оптимальности основных метрологических характеристик ВОП с ООК.
4 Разработан алгоритм управления световым потоком в ВОИИС, обеспечивающий необходимую пространственную структуру пучка света.
5 Разработаны математические модели и алгоритмы преобразования сигналов в оптической системе ВОП с ООК, с дифференциальной и компенсационной структурными схемами ИИС для рационального выбора конструктивных параметров ВОП.
6 Разработаны и проанализированы структурные и математические модели и алгоритмы преобразования ВОП с ООК с целью рационального выбора их параметров для конкретных ИИС различных физических величин.
7 Подтверждена адекватность экспериментальных результатов и результатов математического моделирования ВОП на примере волоконно-оптических ИИС уровня жидкости, вибраций линейных и угловых перемещений, давления с различными коэффициентами и формами отражающих и преломляющих поверхностей.
8 Проверено соответствие математической модели и информационно-измерительных систем с оптимизируемыми по параметрам ВОП на основе методов идентификации их динамических характеристик.
Практическая значимость работы. Результаты исследований автора используются при разработке информационно-измерительных и управляющих систем космической и авиационной техники на основе ВОП с открытым оптическим каналом волоконно-оптических датчиков давления отражательного и аттенюаторного типов, сигнализаторов уровня жидкости, вибродатчиков, датчиков частоты вращения с улучшенными метрологическими характеристиками.
Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в период с 1999 г. по настоящее время в рамках «Комплексной программы НИР и ОКР по созданию средств измерений, контроля и диагностики для космических аппаратов, испытательных центров наземной экспериментальной базы на период до 2010 г.», НИР «Автоматика-1», выполняемой ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск Челябинской обл.) по гособоронзаказу, НИР «Сфера» (дог. № 4 (546Н) от 06.07.1999 г. между Пензенским государственным университетом (ПГУ) и НИКИРЭТ (ГУП СНПО «Элерон», г. Заречный Пензенской обл.), инициативной НИР «Волоконно-оптические датчики давления (ВОДД)», выполняемой ОАО «НИИВТ» (г. Пенза) (ТЗ № 4/8 от 05.02.03), НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС» (договор № 275 от 01.02.04 между ЗАО «НИИФИ и ВТ» (г. Пенза) и ПГУ), дог. № 20 от 30 сентября 2008 г. между НТЦ «НАНОТЕХ» ПГУ и ОАО ЭОКБ «Сигнал»
им. А. И. Глухарева.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследований автора использованы при разработке волоконно-оптических информационно-измерительных систем для измерения давления, уровня жидкости, линейного и углового перемещения, частоты вращения, вибрации, а также внедрены в учебный процесс в Пензенском государственном университете на кафедре «Приборостроение».
В частности, эти результаты использовались в НИР «Волоконно-оптические датчики давления», «Устройства сбора и обработки данных в информационно-измерительных системах». Разработаны макетные образцы дифференциальных датчиков давления аттенюаторного типа (шифр) ВОДА-НАНОТЕХ, отражательного типа ВОДО-НАНОТЕХ (для измерения избыточного давления), сигнализаторов уровня жидкости (шифр) ВОСУЖ-НАНОТЕХ, частоты вращения (шифр) ВОДЧВ-НАНОТЕХ.
Элементы общей теории и проектирования ВОДД аттенюаторного типа использованы в НИОКР «Составные части и модули АСУ межвидового применения электроснабжения», НИР «ВОДД», НИР «Автоматика-1». В ПГУ результаты работы внедрены во всех видах занятий по проектированию средств измерения (лекции, курсовое проектирование, лабораторный практикум), в частности, по дисциплине «Теория, расчет и проектирование волоконно-оптических измерительных приборов и систем».
Материалы по формализации процесса распределения мощности светового потока в пространстве волоконно-оптического преобразователя давления с открытым оптическим каналом использованы
в проекте аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006–2008 годы)», подраздел 2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук», № ГР 01.2.006 10437, по теме «Разработка теории распределения светового потока в пространстве ВОП физических величин с открытым оптическим каналом».
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на всесоюзных и международных научно-технических конференциях «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (г. Пенза, 1999, 2001, 2002, 2003 гг.), «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (г. Пенза, 2007 г.), «Перспективы развития датчиков давления для электронных систем регулирования и диагностики авиационных газотурбинных двигателей» (г. Саратов, 2008 г.), Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2003, 2005, 2006, 2008 гг.), X международном салоне «Двигатели-2008» (г. Москва, 2008 г.), I Российском инвестиционном форуме «Российским инновациям – российский капитал» и IV ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Чебоксары, 2008 г.), Международной выставке «Helirussia-2008» (г. Москва, «Экспо-Крокус», 2008 г.),
I и II инвестиционных форумах Пензенской обл. (г. Пенза, 2007, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 работ,
из которых 2 монографии, 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 2 патента, 5 статей в центральных изданиях и 20 в межвузовских сборниках.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав основного текста (257 стр.), заключения, списка литературы, включающего 159 наименований, четырех приложений.
