Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Общие вопросы разработки амплитудных в олоконно-оптических датчиков 16
1.1 Современное состояние и перспективы развития волоконно-оптического приборостроения 16
1.2 Новая классификация амплитудных волоконно-оптических преобразователей 27
1.3 Параметры оптического канала волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа 42
Основные результаты и выводы 50
Глава 2 Разработка математических моделей волоконно-огггх теских датчиков давления отражательного типа 51
2.1 Особенности построения и принцип действия амплитудных волоконно-оптических датчиков и преобразователей давления 51
2.2 Формализация процесса распределения светового потока в пространстве открытого оптического канала 55
2.3 Управление световым потоком отражающими поверхностями в волоконно-оптическом преобразователе с открытым оптическим каналом 62
2.4 Математическая модель функции преобразования волоконно-оптического датчика давления отражательного типа с компенсационным каналом 70
Основные результаты и выводы .79
Глава 3 Разработка способов улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа ..81
3.1 Метрологический анализ амплитудных волоконно-оптических датчиков давления, применяемых в условиях ракетно-космической техники 81
3.2 Влияние волоконно-оптического кабеля на эксплуатационные волоконно-оптических датчиков давления и рекомендации по их улучшению 94
3.3 Влияние волоконно-оптического кабеля на метрологические характеристики волоконно-оптических датчиков давления и рекомендации по их улучшению 107
3.4 Конструктивные способы снижения температурной погрешности волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа 120
Основные результаты и выводы 128
Глава 4 Новые конструкции и экспериментальные исследования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа 130
4.1 Принципы конструктивной унификации волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа 130
4.2 Особенности схемно-конструктивных решений и физической реализации волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа с компенсационным каналом 136
4.3 Экспериментальные исследования макетных образцов волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа 143
Основные результаты и выводы 174
Заключение 165
Перечень принятых сокращений 169
Список используемой литературы 171
- Новая классификация амплитудных волоконно-оптических преобразователей
- Формализация процесса распределения светового потока в пространстве открытого оптического канала
- Влияние волоконно-оптического кабеля на эксплуатационные волоконно-оптических датчиков давления и рекомендации по их улучшению
- Особенности схемно-конструктивных решений и физической реализации волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа с компенсационным каналом
Введение к работе
Радикальным шагом переоснащения летательных аппаратов новой более точной, надежной, малогабаритной, помехозащищенной датчиковой аппаратурой является внедрение волоконно-оптических датчиков (ВОД). Специалисты считают, что в ближайшие 10-20 лет ВОД заменят во многих отраслях традиционные датчики и, в первую очередь, на летательных аппаратах.
ВОД потенциально нечувствительны к внешним электромагнитным полям, имеют малые габариты и массу, простую конструкцию, отличаются высокой надежностью, стойкостью к повышенным температурам, механическим ударам, вибрациям и др., потребляют малое количество энергии. Отсутствие источника электрической мощности в зоне измерения и замена ее световой энергией с уровнем не выше 1 мВт практически гарантирует безопасную работу ВОД в потенциально пожаро- и взрывоопасных условиях, например, при измерении давления в камерах сгорания реактивных двигателей. Применение ВОД в этом случае значительно снижает уровень вибрационных нагрузок на электронную схему средства измерения, так как с помощью волоконно-оптического кабеля ее можно удалить на значительное расстояние от источника вибрации, каковым является реактивный двигатель, и разместить в амортизированном корпусе.
Основное преимущество ВОД перед электрическими, обусловлено, прежде всего, их естественной сопрягаемостью с волоконно-оптическими средствами передачи информации и лучшими возможностями объединения их в волоконно-оптические сети сбора данных (ВОССД).
В свою очередь, внедрение ВОССД необходимо для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту космических аппаратов и ракет-носителей. Но работы по созданию отечественных ВОД продвигаются очень медленно, серийно изготавливаемые ВОД для изделий ракетно-космической техники (РКТ) практически отсутствуют. Существующие датчики чаще всего рассчитаны на работу в лабораторных условиях и неработоспособны при воздействии жестких внешних влияющих факторов.
Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы их разработок являются сдерживающим фактором в создании и внедрении воссд.
Контроль давления на борту летательных аппаратов занимает до 50% от общего числа всех измерений, поэтому создание ВОД давления (ВОДД) для информационно-измерительных систем (ИИС) изделий РКТ с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающими требованиям РКТ, является актуальной задачей. Решению этой задачи автор посвятила данную диссертационную работу.
Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных ученых и зарубежных авторов: В.И. Бусурина, М.М. Бутусова, А.В.Гориша, В.М. Гречишникова, В.Г. Жилина, Е.А. Зака, Н.Е. Конюхова, Я.В. Малкова, Т.И. Мурашкиной, А.Л. Патлаха, В.Т. Потапова, Н.П. Удалова и др.
В то же время в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования ВОДД для изделий, эксплуатируемых в жестких условиях ракетно-космической техники, соответственно не рассматриваются конструктивно-технологические особенности, и не дается оценка их метрологических и эксплуатационных характеристик в данных условиях.
На основании исследований возможных принципов преобразования-измерительной информации в изменение параметров оптического сигнала определено, что необходимо сконцентрировать усилия на разработке простых, надежных и универсальных с точки зрения конструктивных и схемных решений ВОДД, принцип действия которых основан на модуляции под действием измеряемой физической величины интенсивности светового потока. Амплитудный принцип модуляции обеспечивает наиболее простое мультиплексирование сигналов в ВОССД. Большинство схем ампли тудной модуляции не требует когерентных источников излучения, ВОК может быть изготовлен из дешевых многомодовых оптических волокон (ОВ).
Основным недостатком, ограничивающим использование амплитудных ВОДД является то, что на точность измерения существенное влияние оказывают внешние влияющие факторы, например: температура, механические факторы. В то же время использование простых компенсационных и дифференциальных схем, а также возможность проведения многопараметрических измерений за счет применения большого количества простых датчиков представляют возможность повысить точность измерений с помощью амплитудных ВОДД, что определяет целесообразность их приме нения в перспективных ИИС.
ВОДД отражательного типа составляют самую обширную группу среди амплитудных ВОДД, что объясняется простотой конструктивного исполнения, совершенной и простой технологией изготовления отражающих поверхностей. Наибольшее распространение получили зеркальные отражающие поверхности, не вносящие заметных неинформативных потерь светового потока в процессе измерения, если преобразования светового потока происходят в гермозоне (гермозона обеспечивает отсутствие капелек влаги на зеркале при изменении температуры), каковыми в большинстве своем являются внутренние полости датчиков давления.
Существенным недостатком известных технических решений ВОДД отражательного типа является низкая чувствительность преобразования оптического сигнала, обусловленная большими потерями при расхождении светового потока в пределах апертурного угла оптического волокна. Таким образом, 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 уделялось внимание распределению яркости на выходе оптических волокон и в зоне измерения. Визуальная оценка распределения изображения в виде цветовой или квазитрехмерной видеограммы позволяет только определить в каком направлении необходимо проводить анализ и не позволяет обосновать оптимальное месторасположение в зоне измерений управляющих устройств и оптических волокон. Поэтому необходимо определить, как распределен в разрыве волоконно-оптического канала поток излучения.
Цель и задачи исследований.
Целью диссертационной работы является научное обоснование, разработка и исследование новых волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для информационно-измерительных систем с метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающими требованиям ракетно-космической техники.
Эта цель достигается решением следующих задач:
- разработкой структурных, математических, метрологических моделей и алгоритмов преобразования сигналов волоконно-оптических преобразователей давления (ВОДД) и ВОДД отражательного типа;
- разработкой алгоритма преобразования светового потока в зоне измерения, обеспечивающего необходимую пространственную структуру пучка, максимальную глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала, простоту юстировки элементов оптической системы: - теоретическим обоснованием новых технических решений физической реализации волоконно-оптических преобразователей давления., позволяющих при незначительной модификации конструктивного исполнения на их основе создать гамму ВОДД для измерения давления на разные диапазоны измерения, в разных условиях применения, на разных объектах;
- развитием компенсационного и дифференциального способов повышения точности измерений ВОДД на основе компенсационного и дифференциального управления световым потоком в оптическом канале;
- установлением аналитической зависимости между выходным и входным сигналами компенсационного ВОДД отражательного типа;
- проведением теоретического анализа метрологических и эксплуатационных возможностей ВОДД отражательного типа, применяемых в условиях ракетно-космической техники;
- проведением экспериментальных исследований и анализом технических возможностей экспериментальных образцов ВОДД отражательного типа.
Предмет исследований - волоконно-оптические преобразователи и датчики давления с открытым оптическим каналом отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала под действием измеряемого давления, для информационно-измерительных систем перспективных образцов ракетно-космической техники и народного хозяйства.
Методы исследований
При разработке математических и физических моделей волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД использовались основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, применялись методы математической физики, теории упругости, прикладной механики. При решении задач но синтезу и анализу волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД 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 лабораторных макетов и реальных образцов ВОД давления.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1 Разработаны структурные, математические, метрологические модели и алгоритмы преобразования сигналов амплитудных волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД с открытым оптическим каналом.
2 Разработаны алгоритмы целенаправленного управления поведением пространственной модуляционной функции излучения в зоне восприяти; информации, обеспечивающие требуемые энергетические соотношения и рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерения оптического канала.
3 Разработан комплекс базовых функций преобразования ВОПД отражательного типа с учетом функции, влияния распределения светового потока в пространстве зоны измерения, анализ которых показал, что, изменяя целесообразным образом конструктивные параметры волоконно-оптических преобразователей давления, можно добиться повышения чувствительности преобразования, требуемых метрологических характеристик. 4 Разработаны и теоретически обоснованы новые и усовершенствованные способы улучшения метрологических характеристик ВОДД: чувствительности преобразования, глубины модуляции оптического сигнала, повышения точности измерения, в частности:
- способ взаимной компенсации неинформативных изменений параметров оптического канала ВОДД при воздействии внешних влияющих факторов (ВВФ) за счет использования оптического компенсационного канала;
- способ, основанный на поддержании постоянным значения расстояния между торцом волоконно-оптического кабеля (ВОК) и отражающей поверхностью при введении в конструкцию элементов, изготовленных из материалов с разными температурными коэффициентами линейного расширения;
- способ взаимной компенсации изменения мощности источника излучения и длины оптических волокон, закрепленных на температурозависи-мом элементе, при изменении температуры окружающей среды;
- способ, основанный на формировании с помощью оптической системы параллельного хода лучей между рабочим торцом волоконно-оптического кабеля и отражающей поверхностью.
5 Разработана методика определения и расчета основных параметров волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД отражательного типа.
6 Предложена методика оценивания погрешностей амплитудных ВОДД, в которых волоконно-оптический кабель рассматривается как объект метрологической модели, влияющий на большинство метрологических характеристик ВОДД.
7 На основе проведенных исследований разработаны новые технические решения амплитудных ВОДД, обеспечивающие требуемые метрологические характеристики и надежное функционирование ВОДД в условиях эксплуатации, характерных объектам ракетно-космической техники. Практическая значимость работы
Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре "Приборостроение", и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и внедрения их в информационно-измерительных системах на изделиях ракетно-космической техники.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к их промышленному проектированию, производству и внедрению.
Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, договора № 4 (546Н) от 06.07.99 г. (НИР «Сфера») между ПГУ и НИКИРЭТ (ГУЛ СНПО «Элерон») г. Заречный Пензенской обл., НИР «Автоматика-1», выполняемой Федеральным ядерным центром ВНИИТФ г. Снежинск Челябинской обл. по гособоронзаказу, договора №4/8 от 05.02.03 (НИР «Волоконно-оптические датчики давления») между ОАО «НИИВТ» г. Пенза и ПГУ, договора №275 от 01.02.04 (НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИЙС») между ЗАО «НИИФИ и ВТ» г. Пенза и ПГУ.
Диссертационные исследования выполнялась и реализовывались в ПГУ при финансовой поддержке НИР аспирантов ВУЗов в форме гранть. Министерства Образования России (приказ Минобразования РФ от 12.05.2003 г.) шифр А03-3.20-403 «Исследование процесса распределения светового потока в пространстве ВОП с открытым оптическим каналом». Реализация результатов работы
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании ВОДД отражательного типа для измерения избыточного давления в диапазонах 0...5, 0...10, 0...15, 0...28 кгс/см2.
Разработаны макетные образцы волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа: шифр ВОДД 001 (безлинзовый вариант), ВОДД 002 (линзовый вариант).
Элементы теории проектирования, материалы по расчету ВОДД отражательного типа использованы в НИР «Сфера», «Автоматика-1», НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС», НИР «Волоконно-оптические датчики давления», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы», читаемой студентам специальности 200100 "Приборостроение" в ПГУ.
Апробация работы
Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам по разделу «Авиация, авиастроение и воздушный транспорт» (г. Казань, 1998 г.), IV Международной научно-технической конференции (НТК) «Точность технологических и транспортных систем» (г. Пенза, 1998 г.), Всероссийской НТК «Состояние и проблемы технических измерений» (г. Москва, 1998 г.), 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, 2005 г.г.), на научно-техническом совещании Федерального космического агентства.
Публикации По теме диссертации опубликовано 26 работ, из них 1 монография, 20 статей в центральных (в том числе международных) изданиях и межвузовских сборниках, 1 учебное пособие, 1 патент и 3 заявки на изобретение. Без соавторов опубликовано 4 работы.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, 7 приложений. Основная часть изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 115 наименований. Приложения к диссертации занимают 60 страниц.
На защиту выносятся следующие положения:
1 Структурные, математические и метрологические модели, алгоритмы преобразования сигналов амплитудных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа.
2 Алгоритмы управления световым потоком, обеспечивающие требуемые энергетические соотношения и рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерений открытого оптического канала волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа.
3 Методика расчета основных параметров оптического канала, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в зоне измерения, при которых обеспечиваются повышенные метрологические характеристики волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа.
4 Новые и усовершенствованные способы улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик и новые технические решения волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа с компенсационным каналом, внедрение которых позволит повысить эффективность информационно-измерительных систем ракетно-космической техники.
Новая классификация амплитудных волоконно-оптических преобразователей
Вопросам создания и теоретических исследований ВОП и ВОД посвящено большое количество публикаций, но до настоящего времени не существует сколько-нибудь полной и признанной классификации ВОП и ВОД. Наиболее распространена классификация по характеру использования оптических волокон (ОВ) на: - ВОД, в которых волокно служит для передачи сигналов; - ВОД, в которых волокно является собственно чувствительным элементом (ЧЭ) [69]. ОВ в первом случае рассматриваются как удобная среда для передачи оптического сигнала и не рассматриваются как метрологический объект (в действительности ОВ в датчиках любого типа влияют на метрологические характеристики ВОД).
На основе вышеуказанной классификации разработано достаточно большое количество вольных классификаций ВОП и ВОД, затрудняющих стандартизацию и унификацию новых разработок ВОД [29, 70, 84]. Ниже обосновывается предложенная автором (в соавторстве) классификация амплитудных ВОП [64].
ВОД относятся к средствам неразрушающего контроля, и в соответствии с ГОСТ І 8353-79 в их основу положен оптический вид контроля, основанный на регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с контролируемым объектом. В свою очередь, по характеру взаимодействия оптического поля с контролируемым объектом оптический метод делится на. прошедшего, отраженного, рассеянного, индуцированного и собственного излучения (рисунок 1.2). Состояние отечественной базы оптоэлектроники и волоконной оптики в настоящее время определило в качестве приоритетного направления создание ВОД амплитудного типа, в которых полезный эффект достигается изменением интенсивности оптического излучения в зоне измерений (см. приложение А).
Термин "интенсивность света" достаточно широко употребляется в оптике, хотя точно он почти никогда не определяется. За эту величину-можно взять как энергетическую освещенность, так и энергетическую силу света. И та, и другая, величина пропорциональны квадрату амплитуды электромагнитных колебаний в световой волне. Таким образом, амплитудный метод основан на регистрации амплитуды оптических волн, взаимодействующих с контролируемым объектом.
ВОД является оптическим прибором, так как его основная функция выполняется с помощью оптической системы - совокупности оптических деталей (оптических волокон, линз, призм и т.д.), отражающих, преломляющих и дифрагирующих поверхностей. Ввиду того, что световой поток "канализируется" по ОВ в зону измерения и обратно, имеет смысл объединить оптическую систему и подводящие и отводящие оптические волокна под одним термином - "оптический канал".
В ВОП первого класса изменения измеряемой (или промежуточной) физической величины (ФВ) вызывают изменения условий распространения света в разрыве волоконно-оптического канала в зоне измерений [45]. При этом изменяется интенсивность излучения, проходящего с выхода подводящего оптического волокна ПОВ 1 на вход отводящего оптического волокна ООВ 2 через зону измерений (рисунок 1.3,а). Такие преобразователи называют ВОП с открытым оптическим каналом.
В ВОП второго класса изменения измеряемой (или промежуточной) ФВ ведут к изменению условий распространения света в волоконно-оптическом канале в зоне измерений [74, 75]. В этом случае изменения геометрических или физических параметров ОВ под действием измеряемой ФВ ведут к изменению интенсивности излучения, проходящего через ОВ 2 (рисунок 1.3, б). ОК в зоне измерений ВОП второго класса представляет собой ОВ - часть волоконно-оптического канала. Такие преобразователи называются ВОП с закрытым оптическим каналом.
В ВОП третьего класса изменения измеряемой физической величины вызывают изменения параметров излучения светогенерационных веществ, расположенных в зоне измерений [69]. В этом случае регистрируется изменение интенсивности излучения, поступающего на вход ООВ 2 (рисунок 1.3, в). Такие преобразователи называются ВОП без внешнего ИИ и подводящего ОВ. В свою очередь ВОП первого класса можно разделить на следующие группы: 1.1 ВОП проходного типа, в которых модуляция интенсивности оптического сигнала осуществляется благодаря изменению взаимного расположения ПОВ и ООВ: поперечному, . продольному и угловому взаимным перемещениям их друг относительно друга (таблица 1.2, рисунки 1 - 3). 1.2 ВОП отражательного типа (рефлексометрические) [11, 60], в которых модуляция интенсивности оптического сигнала осуществляется благодаря изменению положения отражателя, расположенного на пути светового пучка, в продольном, поперечном и угловом направлениях (таблица 1.2, рисунки 4 - 6).
Формализация процесса распределения светового потока в пространстве открытого оптического канала
При проектировании амплитудных ВОДД с открытым оптическим каналом 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 ВОПД с открытым оптическим каналом. Визуальная оценка распределения изображения в виде цветовой или квазитрехмерной видеограммы [84] позволяет только определить, в каком направлении необходимо проводить анализ и не позволяет обосновать оптимальное месторасположение в зоне измерения ВОПД, управляющих устройств (отражающих поверхностей), 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 оптического канала поток излучения. Формализованное представление распределения плотности мощности оптического излучения в пространстве зоны измерения ВОПД позволит определить рациональное местоположение управляющего устройства 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 (излучательному) торцу волокна [27]. 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 2.2,а).
Образующие области I (лучи 1 и 2) представляют собой лучи, идущие из края сердцевины ОВ диаметром dc под апертурным углом мл к оптической оси и пересекающие ее в точке А на расстоянии L(!i dc/2tg0NA, которая называется дистанцией формирования пучка [51].
Область II ограничена снаружи конической поверхностью, образованной габаритными лучами 3 и 4, идущими из края сердцевины излучающего торца ОВ под углом @ХА а изнутри внутренней конической поверхностью. Сечение пучка плоскостью В-В, перпендикулярной оптической оси, имеет соответственно круговую I и кольцевую II зоны (рисунок 2.2,5). Энергетическая освещенность ESI площадки S1 радиусом (гс-Х мл), 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 Xi ХА от торца ОВ, определяется известной формулой [94] Esi=7rLersin Д где т- коэффициент пропускания среды и оптических элементов; J3- угол, под которым виден излучающий торец ОВ из центра излучающей площадки S1. В соответствии с рисунком 22,а для 0 Х,- ХЛ
Если плоскость В-В расположена вблизи излучающего торца ОВ, то освещенность площадки S1 практически равномерна по всей поверхности. При увеличении расстояния Х{ освещенность поверхности уменьшается в направлении от оптической оси ОВ к краю поверхности S1. Таким образом, в зоне измерений имеются сечения, в которых освещенность равномерная, и сечения, где освещенность резко уменьшается в направлении от оптической оси.
Задача управления световым потоком в зоне измерения ВОПД с открытым оптическим каналом состоит в том, чтобы обеспечить необходимые функцию преобразования Ф(Х, Y, Z), динамический диапазон изменения оптического сигнала в диапазоне измерения и глубину модуляции оптического сигнала. Функция преобразования Ф(Х,У, Z) в общем виде для ВОП с открытым оптическим каналом имеет вид [20]: Ф(Х, УЛ)=ЩХ, Г,2)Ф0„ где К(Х, Y, Z) - коэффициент передачи оптического канала ВОП. Коэффициент зависит от способа модуляции оптического сигнала в пространстве зоны измерения, поэтому его назовем модуляционный пространственный коэффициент. Очевидно, что, если световой поток Ф0, поступающий в зону измерений, величина постоянная, т.е. Ф0=соті, то поведение функции преобразования ВОП Ф(Х, Y, Z) будет оцениваться по поведению модуляционного пространственного коэффициента Y, Z) в диапазоне измерения. В общем случае данный коэффициент нелинейный и характеризует вносимое элементом управления затухание светового потока в оптическом канале амплитудных ВОП. Большинство ВОДД имеют симметричную конструкцию вдоль оси Y, поэтому можно записать К(Х, Y,Z) К(Х, Z). Модуляционный коэффициент К(Х, Z) определяется произведением двух составляющих, первая из которых К(В) характеризует распределение плотности мощности по сечению пучка света, а вторая K(SOCB) степень суммарной освещенности рабочего торца отводящих ОВ (при этом предполагается, что лучи света, претерпевшие определенные преобразования в зоне измерений, распространяются вдоль оптической оси датчика в пределах апертурного угла 0NA оптических волокон): K(X!Z)=K(B)K(S0CB), (2.4) где K(Soas) = $пр /SOOB где Sfjp - общая площадь освещенной поверхности в плоскости расположения отводящих ОВ; SOCB - площадь освещенной поверхности отводящих ОВ. Очевидно, для того, чтобы поведение модуляционной функции К(Х, Z) было прогнозируемо и позволяло однозначно определить вид функции преобразования Ф(Х, Z), необходимо, чтобы коэффициент, характеризующий распределение освещенности К(В), был равен 1, то есть К(В)=1 (за исключением случаев, когда разрабатываются датчики релейного типа). Это возможно в том случае, когда зеркальная поверхность и отводящие ОВ расположены в плоскостях, где распределение освещенности по сечению, перпендикулярному оптической оси ВОПД, равномерное. Местоположение данной плоскости необходимо выбирать в соответствии с рекомендациями, приведенными в Приложении Б.
В разрабатываемых ВОПД отражательного типа, в которых подводящие и отводящие ОВ расположены в одной плоскости, необходимо, чтобы отражающая поверхность располагалась на расстоянии Xmin относительно них, большем дистанции формирования луча Ьф (при Xmin L(p). В частности, если используются "кварц - кварцевые" волокна с с1с=200мкм, мд=12 град, то ХтіГі 500 мкм. Таким образом, формализованное представление распределения освещенности в зоне измерения позволяет определить рациональное местоположение управляющего устройства относительно рабочих торцов подводящих и отводящих ОВ. В ВОДД отражательного типа модуляция оптического сигнала осуществляется в ВОПД за счет перемещения относительно торцов ПОВ и ООВ, расположенных в одной плоскости, зеркальной поверхности мембраны при ее прогибе под действием давления. Так как площадь светового пятна на отражающей поверхности мембраны ничтожно мала в сравнении с площадью мембраны, то можно с достаточной точностью считать, что под действием давления освещенная площадка перемещается перпендикулярно оптической оси ВОПД вдоль осиХ.
Влияние волоконно-оптического кабеля на эксплуатационные волоконно-оптических датчиков давления и рекомендации по их улучшению
В работах [27, 33, 39, 40] подробно рассмотрены вопросы распространения света по ОВ и волоконно-оптическим кабелям (ВОК) систем связи при воздействии различных внешних влияющих факторов (ВВФ). С большой долей точности данные теоретические и экспериментальные исследования можно распространить на ВОК, используемые в ВОДЦ 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 ВОДЦ 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. Ввиду того, что ВОДЦ 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 0 С выражается очень резко [82]. Предпочтение отдается не отдельным ОВ, а жгутам ОВ, конструктивно оформленным в ВОК. 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 РКТ 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. В данной работе не рассматриваются вопросы влияния ионизирующих излучений на распространение света по ОВ и, соответственно, на метрологические характеристики ВОД. Данные вопросы достаточно полно освещены в научно-технической литературе, а также являются объектом исследований специализированных организаций [41].
На ВОК возможно воздействие нагрузок следующих видов: осесим-метричной (равномерно 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 ТУ 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 ВОК в процессе изготовления ВОДД. Процесс изготовления ВОК включает несколько стадий: 1. Нарезка ОВ на куски определенной длины; 2. Соединение отдельных волокон в жгут; 3. Размещение жгута в общей оболочке; 4. Вклеивание торцов жгута в оптические разъемы; 5. Полировка торцов ВОК; 6. Размещение ВОК в корпусе датчика.
В составе датчика ВОК испытывает механические воздействия во время юстировки, настройки, аттестации, различных видов испытаний. Большинство неречисленных 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 иеинфор-мативным 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 .
Особенности схемно-конструктивных решений и физической реализации волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа с компенсационным каналом
Для снижения большинства погрешностей ВОДД отражательного типа предложено ввести в конструкцию датчика компенсационный канал. ВОДД - волоконно-оптический датчик давления; СУ - согласующее устройство; ВОК - волоконно-оптический кабель; ВОПД — волоконно-оптический преобразователь давления; БПИ - блок преобразования информации; РПИ, КИИ - приемники излучения рабочий и компенсационный соответственно; ИИ - источник излучения; ООВр, ООВк - отводящие оптические волокна рабочее и компенсационное; ПОВр, ПОВк - подводящие оптические волокна рабочее и компенсационное;
Датчик содержит мембрану и жгуты подводящих и отводящих оптических волокон рабочего и компенсационного каналов (см. рисунок 4.3). Рабочий жгут оптических волокон установлен напротив зеркальной поверхности мембраны, перемещающейся в соответствии с законом изменения давления Р, а компенсационный жгут - напротив неподвижного, жестко закрепленного в корпусе датчика, зеркала.
Часть светового потока КІФ0 ФОР, сформированного источником излучения, по подводящим оптическим волокнам ПОВр рабочего канала передается в зону измерений в направлении мембраны, другая часть светового потока К2Фо=Фок того же источника излучения по подводящим оптическим волокнам ПОВк компенсационного канала направляется на неподвижное зеркало. Отраженные световые потоки ФР=/(Р) и P/ =const по отводящим оптическим волокнам ООВр и ООВк рабочего и компенсационного каналов соответственно поступают на приемники излучения РПИ и КПИ соответственно. Электрические сигналы J}(X) и J2 с выхода РПИ и КПИ поступают на вход блока преобразования информации (БПИ), где осуществляется операция деления JP(P)/JK.
Для улучшения метрологических характеристик можно с помощью БПИ сформировать отношение разности сигналов на выходе рабочего и компенсационного каналов к их сумме [IP(P)-IK]/[IP(P)+II{]. В этом случае наблюдается удвоение чувствительности преобразования, линеаризация выходной зависимости, снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности излучения источника излучения и чувствительности приемника излучения (см. п.2.4).
Разработана новая конструкция волоконно-оптического датчика давления отражательного типа с компенсационным каналом, общий вид которого приведен на рисунке 4.5, а сборочный чертеж и фотографии макетного образца - в приложении Г.
Корпус 1 датчика, изготовленный из сплава 36НХТЮ-Ш, представляет собой стакан, дно которого со стороны волоконно-оптического кабеля отполировано до зеркальной поверхности и выполняет роль мембраны (см. рисунок 4.5). К корпусу 1 с помощью сварки крепится втулка 2 из стали 36НХТЮ-Ш. С зазором 0,7...1,2 мм относительно мембраны во втулке 2 крепится с помощью сварки наконечник 3 из сплава 29НК, который одновременно является конструктивным элементом волоконно-оптического кабеля ВОК. Зазор задается переменной по толщине прокладкой 4 из стали 29НК. По центру наконечника 3 вклеены оптические волокна 5 общего торца ВОК, а в глухом отверстии наконечника - неподвижное зеркало 6 и расположенные напротив него оптические волокна 7 компенсационного канала датчика.
Полость волоконно-оптического преобразователя заполняется инертным газом аргоном, что исключает выпадение росы или конденсата на внутренних зеркальных поверхностях и, соответственно, уменьшает погрешность измерения при изменении температуры. Передающие 9, приемные рабочие 10 и приемные компенсационные 11 оптические волокна вклеиваются в наконечник 12 волоконно-оптического кабеля, изготовленный из стали 29НК, который одновременно является конструктивным элементом согласующего устройства СУ. В СУ со стороны рабочей поверхности наконечника 12 крепится фотоблок, представляющий собой держатель 13 из стали 29НК, в который вклеены светодиод 14, рабочий 15 и компенсационный 16 фотодиоды. Наконечник 12 с помощью клея ВК-9 крепится в стакане 17, изготовленном из стали 12Х18Н10Т. К стакану с другой стороны, с помощью винтов 18, крепится кожух 19. В кожух 19 по резьбе вворачивается розетка 20 типа СНЦ 13-10/10Р-11-В, к контактам которой подпаиваются выводы светодиода 14 и фотодиодов 15 и 16. Полученная сборка заливается клеем ВК-9 с двуокисью циркония, таким образом, чтобы клей не попал на линзы свето- и фотодиодов. Согласующее устройство СУ соединяется с блоком преобразования информации с помощью розетки 20. ВОДД работает следующим образом. Световой поток, излучаемый свето диодом 14, по передающим оптическим волокнам 9 направляется в сторону отражающей поверхности мембраны, которая прогибается под действием давления среды. При этом изменяется интенсивность отраженного от нее светового потока, поступающего в приемные торцы отводящих оптических волокон 10. С выхода ОВ 10 световой поток попадает на светочувствительную площадку рабочего фотодиода 16, где преобразуется в электрический сигнал, поступающий на вход блока преобразования информации БПИ.
Для компенсации изменения мощности излучения светодиода 14 и неинформативных потерь светового потока при изгибах волоконно-оптического кабеля часть светового потока светодиода 14 по оптическим волокнам 7 компенсационного канала направляется на неподвижное зеркало 6. Отраженный световой поток по оптическим волокнам 11 направляется на компенсационный фотодиод 16, где преобразуется в электрический сигнал, поступающий на вход БПИ и не зависящий от измеряемого давления.
