Введение к работе
Актуальность темы исследования. На сегодняшний день в области ракетно-космической техники существует острая необходимость в создании датчиков контроля положения и управления регулирующих элементов (РЭ) пневмогидравлических систем (ПГС) ракет-носителей (РН), работающих в широком диапазоне температур (от минус 196 до + 80С). Так, например, для РН типа «Союз» существует необходимость контроля и управления клапанами 18 различных типов агрегатов. При этом датчики должны удовлетворять ряду требований, таких как: бесконтактность измерения (отсутствие механического контакта с контролируемым элементом); неэлектрический способ измерения (взрывоопасная рабочая среда); герметичность (без доступа во внутреннюю среду РЭ и без нарушения его целостности); использование закрытого измерительного канала (защита измерительного канала датчика от загрязнения внешней средой); работоспособность в агрессивной среде окислителя (жидкий кислород); широкий диапазон рабочих температур (минус 196…+80С) и ряд др.
Современные волоконно-оптические методы и средства измерений
сформировались на базе исследовательских работ и изобретений известных российских и зарубежных ученых: Буймистрюк Г.Я., Гречишников В.М., Конюхов Н.Е., Матюнин С.А., Носов Ю.Р., Окоси Т., Рандошкин В.В., Удалов Н.П., Удд Э., Ураксеев М.А., Харитонов Н.А., Хлыбов А.В. и др. Однако в известных работах не получили достаточного отражения вопросы повышения точности и стабильности бесконтактных волоконно-оптических преобразователей перемещения (БВОПП), что препятствует их применению в качестве датчиков контроля положения и управления РЭ ПГС для криогенных условий эксплуатации.
Разработкой и производством волоконно-оптических датчиков занимается большое число российских и зарубежных производителей: ЗАО «Сенсор» (г. Екатеринбург); Научный центр волоконной оптики Российской академии наук (НЦВО РАН) (г. Москва); ООО "Инверсия–Сенсор" (г. Пермь); ООО "Инновационное предприятие "НЦВО – Фотоника" (г. Москва); ООО "Научно-Производственная Компания "Оптолинк" (г. Зеленоград); ООО "Сенсорное приборостроение "Интел-Системы" (г. Санкт-Петербург); Adamant Co., Ltd. (Япония); Advanced Optics Solutions GmbH (Германия); Micron Optics Inc. (США) и др. Промышленно выпускаемые волоконно-оптические датчики в большинстве случаев используют в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) волоконные решетки Брэгга, волоконные торцевые резонаторы Фабри-Перо и Физо, магнитооптическое чувствительное волокно и датчики с микроизгибами оптического волокна. Однако перечисленные датчики не удовлетворяют всему комплексу предъявляемых к ним требований, в частности по бесконтактности, закрытости оптического канала, криогенным условиям эксплуатации и др.
Как показывает проведенное литературно-патентное исследование и анализ в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют БВОПП с закрытым оптическим каналом, основанные на магнитооптическом эффекте, которые не требуют взрывозащищенного исполнения, так как не содержат электрических компонент. Такие датчики позволяют производить измерения без доступа во внутреннюю среду клапана, осуществляя их монтаж снаружи на кожух клапана. В диссертации рассматриваются БВОПП на основе магнитооптического эффекта Фарадея в пленках железо-иттриевого граната (ЖИГ), выращенных методом жидкофазной эпитаксии. Данные пленочные структуры имеют высокую чувствительность к магнитному полю, варьируемую в широких пределах технологией изготовления, при незначительной длине оптического
пути, определяемой толщиной пленки ЖИГ. Это позволит обеспечить измерение при установке БВОПП с внешней стороны клапана положения (перемещения) тарели клапана, ее перекоса и вибрации.
Область исследований – бесконтактные волоконно-оптические преобразователи перемещения регулирующих элементов пневмогидравлических систем на основе магнитооптического эффекта Фарадея.
Объект исследований – методы и технические средства улучшения
эксплуатационных характеристик волоконно-оптических преобразователей
перемещения регулирующих элементов пневмогидравлических систем.
Цель и задачи работы – повышение точности и стабильности бесконтактных волоконных магнитооптических преобразователей перемещения регулирующих элементов пневмогидравлических систем.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение основных задач:
-
анализ существующих преобразователей, пригодных для бесконтактного измерения положения РЭ пневмогидравлических систем;
-
разработка конструкций чувствительных элементов и вторичных электронных преобразователей (ЭП) БВОПП;
-
уточнение существующих и разработка новых моделей конструкций и процессов в БВОПП;
-
разработка методики линеаризации и температурной стабилизации функции преобразования (ФП) БВОПП;
-
проведение анализа погрешностей БВОПП;
-
экспериментальное исследование БВОПП и их элементов.
Научная новизна работы:
-
разработан комплекс аналитических выражений, описывающих энергоинформационные преобразования в БВОПП с учетом особенностей изменения пространственного распределения магнитного поля и изменения поляризации оптического излучения в чувствительном элементе (ЧЭ) БВОПП при изменении положения РЭ, а также изменение поляризационных и температурных параметров элементов БВОПП;
-
разработана методика расчета профиля подвижного магнитопровода чувствительного элемента БВОПП, обеспечивающая снижение нелинейности ФП до величины 0,32%;
-
разработана методика линеаризации и температурной стабилизации ФП, основанная на калибровке ЧЭ в пространстве двух переменных – температуры и положения подвижного элемента, кусочно-плоскостной аппроксимации калибровочной функции и вычислении функции обратной ФП, что позволяет дополнительно снизить нелинейность ФП до величины 0,01% и уменьшить дополнительную температурную погрешность до величины 0,56% в широком диапазоне температур (от минус 196 до
+ 80С).
Теоретическая значимость диссертации заключается в разработке уточненных математических моделей БВОПП, что позволило снизить (в 8 раз) погрешность моделирования характеристик БВОПП и расширить их область применения.
Практическая значимость диссертации заключается в создании действующих образцов БВОПП, в разработанных и изготовленных специализированных стендах для их исследования, в алгоритме и программе линеаризации и стабилизации ФП, в результатах моделирования и экспериментальных исследований процессов в БВОПП.
Методы исследования
При решении задач для моделирования магнитостатических и оптических полей в БВОПП использовались метод эквивалентных схем, метод конечных элементов для численного решения дифференциальных уравнений, пакеты программ «Flex PDE», «Scilab»; при разработке конструкций БВОПП - «Компас-3D», при анализе погрешностей - положения теории погрешностей.
Положения, выносимые на защиту:
-
комплекс аналитических выражений, описывающих энерго-информационные преобразования в БВОПП;
-
методика расчета профиля подвижного магнитопровода ЧЭ;
-
методика линеаризации и температурной стабилизации ФП;
-
алгоритм и программа линеаризации и стабилизации ФП;
-
результаты моделирования и экспериментальных исследований процессов в БВОПП.
Степень разработанности темы
Литературно-патентный анализ показал, что наиболее пригодными для разработки БВОПП для пневмогидравлических систем РН являются бесконтактные волоконно-оптические датчики (ВОД) магнитного поля на магнитооптическом эффекте. Однако, на данный момент отсутствуют комплексные исследования, разработки и серийный выпуск БВОПП. Существующие математические модели ВОД магнитного поля не учитывают: распределение интенсивности оптического излучения и нормальной составляющей напряженности магнитного поля по сечению магнитооптического элемента (МОЭ); влияние поляризационных искажений, вносимых элементами волоконно-оптических линий связи (ВОЛС); поглощение в оптических элементах БВОПП; влияние температуры на параметры оптических элементов БВОПП. Указанные недостатки не позволяют: осуществить разработку и оптимизацию параметров БВОПП; разработать методы линеаризации и стабилизации функции преобразования БВОПП; провести анализ погрешностей БВОПП.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов
экспериментальных исследований и моделирования (расхождение результатов не превышает 5-8%), а также публикациями в рецензируемых научных журналах и обсуждением на международных научно-технических конференциях. Полученные результаты не противоречат известным положениям фундаментальной науки.
Результаты работы доложены на международных и всероссийских
конференциях: Международной научно-технической конференции «Dynamics and Vibroacoustics of Machines (DVM2014)» (г. Самара, 2014 г.); Международной научно-технической конференции «The 22nd International Congress on Sound and Vibration (ICSV22)» (Италия, г. Флоренция, 2015 г.); Международной научно-технической конференции «Dynamics and Vibroacoustics of Machines (DVM2016)» (г. Самара, 2016 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Российская робототехника. Формирование профессионального сообщества в области развития робототехники, искусственного интеллекта» (г. Магнитогорск, 2016 г.); Международной научно-технической конференции «2017 International Conference on Aerospace Technology, Communications and Energy Systems (ATCES2017)» (г. Самара, 2017 г.) и др.
Публикации. По результатам диссертационных исследований и разработок опубликовано 16 работ, в том числе 7 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК России, и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Реализация результатов работы. Изготовленные образцы и результаты
исследований БВОПП используются в: Акционерном обществе «Ракетно-космический
центр «Прогресс» для разработки систем контроля и управления ПГС ракет-носителей;
в учебном процессе в курсовом и дипломном проектировании, в составе лабораторных
стендов «Исследование бесконтактных волоконно-оптических датчиков перемещения»
при подготовке бакалавров по образовательной программе «Мехатронные и
робототехнические комплексы» кафедры АСЭУ Самарского национального
исследовательского университета имени академика С.П. Королва; в составе
демонстрационного стенда «Выставочный стенд для демонстрации волоконно-
оптических сенсоров контроля состояния исполнительных органов
автоматизированных систем взрывоопасных объектов», находящегося в выставочном
зале Самарского университета; при разработке элементов информационно-
интегрированной системы для контроля усилия и положения захватов робота на основе
волоконно-оптических датчиков с закрытым оптическим каналом для систем
автоматического управления автономными роботизированными платформами
наземного, воздушного и космического базирования. Получено два акта внедрения (АО
РКЦ «Прогресс», учебный процесс Самарского университета).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Уникальный идентификатор: Прикладные исследования и экспериментальные работы RFMEF157816X0209.
Личный вклад автора. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором лично, либо при его определяющем личном участии. Техническая реализация и экспериментальные исследования проведены совместно с сотрудниками НИЛ-53 Самарского университета.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, выводов, списка литературы и четырех приложений. Работа изложена на 160 страницах, включая 70 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 114 наименований.