Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных негативных факторов, воздействующих на летательные аппараты в полете и, что более важно, на полезную нагрузку, является вибрация. Важными требованиями, предъявляемыми к системе измерения вибрации, являются обеспечение безопасности и высокая точность измерения. Этим требованиям наилучшим образом отвечают волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС), разработки которых в настоящее время ведутся интенсивными темпами. Они отличаются повышенной искро-, взрывобезопасностью и помехозащищенностью. Внедрение ВОИИС необходимо также для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту космических аппаратов и ракетоносителей.
Основные теоретические положения для создания ВОИИС и волоконно-оптических датчиков (ВОД) изложены в трудах отечественных и зарубежных ученых: В. М. Бусурина, М. М. Бутусова, Ю. А. Гуляева, И. И. Гроднева, Е. А. Зака, М. П. Лисицы, В. М. Гречишникова, Я. В. Малкова, Т. И. Мурашкиной, А. Л. Патлаха, Н. П. Удалова и др. В то же время в известной научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования волоконно-оптических вибродатчиков (ВОВД) для изделий, эксплуатируемых в специальных условиях ракетно-космической и авиационной техники (РКТ и AT). Отечественные ВОВД реализованы на функциональном или принципиальном уровнях, практически не адаптированы к ВОИИС для изделий РКТ и AT. Существенным недостатком известных технических решений ВОВД является низкая чувствительность преобразования оптического сигнала и низкая точность измерения из-за нерационального использования светового потока в пространстве измерительного преобразователя и возможностей оптической системы ВОВД.
При проектировании ВОВД необходимо учитывать влияние на результат измерения изгибов оптических волокон, для чего наиболее перспективным является применение дифференциальной схемы преобразования оптического сигнала. Поэтому определение оптимального расположения элементов оптической системы, обеспечивающего рациональное использование оптической мощности в оптической системе измерительного преобразователя, получение общих и частных математических моделей функций преобразования, разработка технических решений дифференциальных ВОВД для ВОИИС изделий РКТ и AT представляют собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую важное народно-хозяйственное значение.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является научное обоснование и исследование оптической системы измерительного преобразователя дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, используемых в информационно-измерительных системах изделий ракетно-космической и авиационной техники.
Научная задача, решаемая в работе, - моделирование и конструирование новых измерительных преобразователей дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала при изменении кривизны границы раздела сред, вызванном перемещением шарообразного модулирующего элемента под действием измеряемой физической величины.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
определение требований, предъявляемых к ВОВД информационно-измерительными системами ракетно-космической и авиационной техники;
разработка математических моделей и алгоритмов преобразования сигналов в дифференциальном ВОВД с шарообразным модулирующим элементом (МЭ);
формализация процесса распределения светового потока в пространстве волоконно-оптического вибропреобразователя (ВОВП) с шарообразным МЭ;
оптимизация конструктивных параметров ВОВП, обеспечивающих дифференциальное преобразование светового потока, максимальную глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала;
разработка конструкции дифференциального ВОВД с шарообразным МЭ, в котором уменьшено влияние изменения мощности оптического излучения источника излучения и механических деформаций волоконно-оптического кабеля (ВОК);
проведение экспериментальных исследований изготовленного экспериментального образца дифференциального ВОВД для подтверждения теоретических положений диссертации.
Методы исследований. Разработка математических моделей дифференциального ВОВД основывалась на положениях геометрической оптики и методах математической физики. При решении метрологических задач использовались основные положения теории чувствительности, погрешностей, имитационное моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях были применены положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработаны новые технические решения ВОВД, отличающиеся тем, что они реализуют новый способ измерения параметров вибрации с применением шарообразной линзы, выполняющей одновременно функции модулирующего, фокусирующего и инерционного элемента, а также управляющего элемента, обеспечивающего дифференциальное преобразование оптического сигнала непосредственно в зоне восприятия измерительной информации.
Разработаны математические модели и алгоритмы преобразования сигналов в ВОВД с открытым оптическим каналом, отличающиеся тем, что они разработаны для условий дифференциального преобразования оптических сигналов с учетом структуры пучка света, сформированного излучающим торцом подводящего оптического волокна, особенностями нового взаимного
пространственного расположения оптических волокон в торцах волоконно-оптического кабеля и относительно модулирующего элемента.
Разработана методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОВП, доказывающая реализуемость дифференциального преобразования с помощью одного и того же модулирующего элемента (шаровой линзы), когда верхняя и нижняя половины линзы преобразуют ее перемещение в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения в двух измерительных каналах, снижая дополнительные погрешности от воздействия дестабилизирующих факторов.
Получены результаты графоаналитического машинного эксперимента по новой математической модели и практического эксперимента дифференциального ВОВД на новой установке, задающей перемещения шарообразной линзы относительно торцов оптических волокон (ОВ).
Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение» в НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем», и способствует решению актуальной научно-технической задачи моделирования и конструирования новых измерительных преобразователей дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала при изменении кривизны границы раздела сред, вызванном перемещением шарообразного модулирующего элемента под действием измеряемой физической величины.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, создание макетных образцов позволяют перейти к промышленному производству и внедрению дифференциальных ВОВД на изделиях РКТ и AT.
Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках аналитических ведомственных целевых программ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008, 2009-2010 гг.)» в форме грантов Федерального агентства по образованию «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом» (шифр РНП.2.1.2.2827) и «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами» (№ 2.1.2/937), договора от 30.10.2005 г. № 389/3 (НИР «Волоконно-оптические средства измерения») между ОАО «НИИВТ» (г. Пенза) и ПГУ. На защиту выносятся:
1. Научно обоснованные технические решения по созданию дифференциальных волоконно-оптических вибродатчиков, технические характеристики которых отвечают перспективным требованиям информационно-измерительных систем изделий ракетно-космической и авиационной техники, реализующие новый способ измерения параметров
вибрации с применением шарообразной линзы, выполняющей одновременно функции модулирующего, фокусирующего и инерционного элемента, а также управляющего элемента, обеспечивающего дифференциальное преобразование оптического сигнала непосредственно в зоне восприятия измерительной информации.
Математическая модель оптико-механической системы волоконно-оптического вибропреобразователя с модулирующим, фокусирующим и инерционным элементом в виде шарообразной линзы, обеспечивающая достижение максимальной чувствительности преобразования оптического сигнала.
Методика определения параметров оптико-механической части ВОВП.
Результаты графоаналитического машинного и практического экспериментов ВОВД.
Реализация и внедрение результатов диссертации. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использованы при разработке дифференциального ВОВД, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании экспериментальных образцов дифференциальных ВОВД (шифр «ВОВД-НАНОТЕХ»).
Разработана лабораторная установка для определения конструктивных параметров оптической системы дифференциального ВОВД.
Элементы теории проектирования, материалы по расчету дифференциального ВОВД использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами», НИР «Устройства сбора и обработки данных в информационно-измерительных системах», «Волоконно-оптические средства измерения», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы» кафедры «Приборостроение» Пензенского государственного университета.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме докладывались на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2008, 2009), X Международном салоне «Двигатели-2008» (г. Москва, 2008), Международной выставке «Helirussia-2008» (г. Москва, «Экспо-Крокус», 2008), I и II инвестиционных форумах Пензенской обл. (г. Пенза, 2007, 2008), Международной научно-практической конференции «Перспективные технологии искусственного интеллекта» (г. Пенза, 2008), I Российском инвестиционном форуме «Российским инновациям — российский капитал» и IV ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Чебоксары, 2008), II Российском форуме «Российским инновациям -российский капитал» и VII ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (г. Саранск,
2009), IX Московском Международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2009, отмечен дипломом и серебряной медалью).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 работах, в том числе одна - в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК России, 1 патент на изобретение РФ, 4 научно-технических отчёта.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, шести приложений. Основная часть изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 44 рисунка, две таблицы. Список литературы состоит из 76 наименования. Приложения к диссертации занимают 12 страниц.
