Введение к работе
Актуальность работы
Создание и внедрение на отечественных объектах ракетно-космической, авиационной и др. техники волоконно-оптических информационно-измерительных систем предполагает разработку волоконно-оптических датчиков различных физических величин: давления, перемещения, скорости, ускорения, уровня жидкости, частоты вращения, силы, температуры.
Отсутствие широкой номенклатуры волоконно-оптических датчиков и недостаточные темпы в области их разработок в ближайшие годы станут сдерживающим фактором создания и внедрения волоконно-оптических информационно-измерительных систем. Поэтому существует настоятельная потребность в быстрейшем создании волоконно-оптических датчиков различных типов, пригодных для промышленного освоения и сопрягаемых как с традиционными, так и вновь разрабатываемыми волоконно-оптическими информационно-измерительными системами, системами управления, контроля, диагностики и аварийной защиты.
Основное преимущество волоконно-оптических датчиков перед
электрическими обусловлено их возможным использованием в ситуациях,
в которых электронные устройства либо вообще нельзя использовать, либо
такое использование сопровождается значительными трудностями и
расходами. Волоконно-оптические датчики характеризуются обеспечением
чрезвычайно высокого уровня безопасности при эксплуатации в
потенциально искро- пожаро - и взрывоопасных условиях. Важнейшим
достоинством волоконно-оптических датчиков является
невосприимчивость их к высокочастотным электромагнитным и импульсным помехам. Внедрение волоконно-оптических информационно-измерительных систем необходимо для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту летательных аппаратов.
Контроль давления на борту летательных аппаратов занимает до 50 % от общего числа всех измерений, поэтому создание волоконно-оптических датчиков давления для изделий ракетно-космической и авиационной техники с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками является актуальной задачей.
Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: Буркова В.Д., Бусурина В.И., Бутусова М.М., Гречишникова В.М., Жилина В.Г., Зака Е.А., Конюхова Н.Е., Малкова Я.В., Мурашкиной Т.Н., Патлаха А.Л., Потапова В.Т., Удалова Н.П. и других. В то же время в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования
волоконно-оптических датчиков давления для изделий ракетно-космической, авиационной и др. техники.
На основании исследований принципов преобразования измерительной информации в изменении параметров оптического сигнала определено, что наиболее эффективно реализуются волоконно-оптические датчики давления, принцип действия которых основан на модуляции интенсивности светового потока под действием измеряемой физической величины. Большинство схем амплитудной модуляции не требует когерентных источников излучения.
Основным недостатком, ограничивающим использование амплитудных волоконно-оптических датчиков давления, является то, что на точность измерения оказывают влияние внешние влияющие факторы и стабильность источника излучения. Использование компенсационных и дифференциальных схем, а также возможность проведения многопараметровых измерений за счет применения большого количества амплитудных волоконно-оптических датчиков позволяют повысить точность измерений.
Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа составляют самую обширную группу среди амплитудных волоконно-оптических датчиков давления, что объясняется совершенной технологией изготовления отражающих поверхностей. Наибольшее распространение получили зеркальные отражающие поверхности, не вносящие заметных неинформативных потерь светового потока в процессе измерения.
Существенным недостатком известных технических решений волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа является большая дополнительная не исключенная погрешность, обусловленная изменениями геометрических параметров и упругих свойств металлической мембраны при изменении температуры окружающей и или измеряемой среды.
До настоящего момента не удавалось реализовать дифференциальную схему преобразования в волоконно-оптических датчиках давления отражательного типа.
Цель и задача, исследования и разработки
Целью диссертационной работы является разработка дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для волоконно-оптических информационно-измерительных систем ракетно-космической, авиационной и др. техники.
В соответствии с целью была сформулирована научная задача, решаемая в работе, - исследование и разработка научно обоснованных технических решений волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа, реализующих дифференциальное преобразование оптических сигналов.
Для решения поставленной задачи проведены следующие исследования и разработки:
- разработаны структурные, математические модели и алгоритмы
дифференциального преобразования сигналов волоконно-оптических
преобразователей и датчиков давления отражательного типа;
- разработан дифференциальный способ повышения точности
измерений волоконно-оптических датчиков давления на основе
дифференциального управления световым потоком в оптическом канале;
проведены исследования конструктивных параметров волоконно-оптических преобразователей давления, обеспечивающих дифференциальное преобразование сигналов и высокую чувствительность преобразования оптических сигналов;
разработана новая конструкция дифференциального волоконно-оптического датчика давления, в котором уменьшено влияние изменения мощности оптического излучения источника излучения, уменьшено влияние изменения геометрических и упругих характеристик мембраны при воздействии внешних дестабилизирующих фактов и механических деформаций волоконно-оптического кабеля;
выведена аналитическая зависимость между выходным и входным сигналами дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа;
проведен теоретический анализ метрологических и эксплуатационных возможностей дифференциального волоконно-оптического датчика давления отражательного типа;
проведены экспериментальные исследования макетных образцов дифференциальных волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для подтверждения теоретических и расчетных данных;
осуществлена практическая реализация полученных результатов.
Методы исследований
При разработке математических и физических моделей волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа использовались основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, применялись методы математической физики, теории упругости, прикладной механики. При решении задач по синтезу и анализу волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления отражательного типа 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. Теоретические положения и результаты расчетов
подтверждены экспериментальными исследованиями лабораторных макетов волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами.
Алгоритм дифференциального преобразования оптического сигнала в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа отличается тем, что световой поток одного и того же источника излучения делится на два потока, которые независимо друг от друга преобразуются под действием одной и той же физической величины, но с помощью разных модулирующих элементов: зеркально отражающей поверхности, перемещающейся перпендикулярно оптической оси первого светового потока, и зеркально отражающей поверхности, перемещающейся под углом к оптической оси второго светового потока.
Способ дифференциального преобразования сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа основан на том, что два канала дифференциальной схемы находятся в одинаковых рабочих условиях, воспринимают одну и туже измеряемую физическую величину (давление), с помощью одного и того же чувствительного элемента (мембраны) преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения, но при этом первый измерительный канал регистрирует перпендикулярное перемещение центральной части зеркальной поверхности мембраны, а второй измерительный канал - угловое перемещение периферийной части зеркальной поверхности той же мембраны.
3 Комплекс функций преобразования волоконно-оптических
преобразователей давления учитывает параметры, взаимное расположение
и количественное соотношение подводящих и отводящих оптических
волокон, начальное расстояние от общего торца оптических волокон до
зеркальной отражающей поверхности.
4 Методика определения условий, при которых реализуется
дифференциальное преобразование оптических сигналов в волоконно-
оптических преобразователях давления отражательного типа, основана на
том, что исходя из условия равенства расстояний, которые проходят
отраженные лучи первого и второго измерительного канала в
противоположных направлениях, определяется расстояние между
оптическими осями волоконно-оптического преобразователя линейного и
углового перемещений.
Практическая значимость работы
Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Московском государственном университете леса, и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа и
внедрения их в волоконно-оптические информационно-измерительные системы изделий ракетно-космической, авиационной и др. техники.
Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках договоров №78 от 15.05.91 г., №94-02 от 25.05.91 г., №94-03 от 01.08.91 г. между МПО «МАНОМЕТР», г. Москва и ТОО «ПАС», г. Москва (ОКР «Разработка измерительных преобразователи давления с диапазоном верхних пределов измерения от 1 до 100 МПа», ОКР «Разработка и передача КД блока преобразования электронного для датчиков давления и разности давления», ОКР «Разработка принципиальных электрических схем опытных образцов трех микросборок - функциональных узлов блока преобразования электронного для датчиков давления и разности давления»), между АООТ «ТЕПЛОПРИБОР», г. Рязань и ООО «Приборы Автоматизированных Систем ПАС», г. Москва (№01/99 от 29.10.99 г. ОКР «Комплекс унифицированных преобразователей давления», №2-02 от 05.07.2002 г. ОКР «Разработка однопредельного преобразователя давления» и №02-05 от 19.04.2005 г. ОКР «Разработка помехоустойчивых преобразователей «Сапфир - 22Р»), №01-04/АС от 27.08.2004г. между ЗАО «Инженерный центр «Атомпром», и ООО «Приборы Автоматизированных Систем ПАС», г. Москва (ОКР «Разработка устройств подавления помех первичных преобразователей давления систем контроля и управления атомных станций»).
Диссертация выполнялась и реализовывалась при выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» в форме гранта Федерального агентства по образованию. № Г.Р. 01.2.006 10437 «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом».
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к их промышленному проектированию, производству и внедрению.
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 макетных образцов волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для измерения избыточного давления в диапазонах 0...0.5; 0...1.0; 0...1.5; 0...2,8 МПа: шифр ВОДД-Д-001 иВОДД-Д-002.
Элементы теории проектирования, материалы по расчету волоконно-оптических датчиков давления использованы в НИР «Разработка теории
распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», ряда ОКР, а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы» на кафедре «Приборостроение» ПТУ.
Апробация работы
Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Второй Всероссийской НТК «Датчики и детекторы для АЭС» (г. Пенза, 2004г.), Международной НТК «Датчики и системы-2005» (г. Пенза, 2005 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы-2006» (г. Москва, 2006 г.), на НТК профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ (г. Москва 2006, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 научно-технический отчет. Без соавторов опубликовано 2 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, восемь приложений. Основная часть изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 9 таблиц. Список литературы содержит 87 наименований. Приложения к диссертации занимают 17 страниц.
