Бесконтактные магнитооптические преобразователи перемещения регулирующих элементов пневмогидравлических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат наук Бабаев Орхан Гаджибаба оглы

• Бабаев Орхан Гаджибаба оглы
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Бабаев Орхан Гаджибаба оглы

Выводы по главе

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕСКОНТАКТНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

2.1 Сравнительный анализ вариантов структурных схем измерительной части систем управления пневмогидравлических систем

2.2 Конструктивные особенности чувствительного элемента бесконтактного волоконно-оптического преобразователя перемещения

2.3 Обобщенная математическая модель бесконтактного волоконно-оптического преобразователя перемещения

2.3.1 Моделирование пространственного положения тарели клапана

2.3.2 Моделирование магнитооптического канала чувствительного элемента бесконтактного волоконно-оптического преобразователя перемещения

2.3.3 Моделирование влияния поляризации излучения в оптических элементах бесконтактного волоконно-оптического преобразователя перемещения

2.4 Разработка методов линеаризации и стабилизации функции преобразования бесконтактного волоконно-оптического преобразователя перемещения

2.4.1 Конструктивная линеаризация функции преобразования бесконтактного волоконно-оптического преобразователя перемещения

2.4.2 Программно-алгоритмическая линеаризация и температурная стабилизация функции преобразования бесконтактного волоконно-оптического преобразователя перемещения

Выводы по главе

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕСКОНТАКТНОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

3.1 Анализ основной и дополнительной погрешностей бесконтактного волоконно-оптического преобразователя перемещения

3.2 Оценка времени цикла измерений бесконтактного волоконно-оптического преобразователя перемещений

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

4.1 Экспериментальные исследования функции преобразования бесконтактного волоконно-оптического преобразователя перемещения

4.2 Экспериментальное исследование температурных характеристик

4.3 Экспериментальное исследование влияния поляризации оптического излучения в элементах бесконтактного волоконно-оптического преобразователя перемещения

4.4 Практическая реализация и внедрение

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Бесконтактные магнитооптические преобразователи перемещения регулирующих элементов пневмогидравлических систем»

ВВЕДЕНИЕ

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 + 80°С). Так, например, для РН типа «Союз» существует необходимость контроля и управления клапанами 18 различных типов агрегатов (таблица 1).

Таблица 1 - Агрегаты РН «Союз», требующие установки датчиков

1 и 2 ступени РН 3 ступень РН

Агрегат Контролируемый параметр Кол. Агрегат Контролируем ый параметр Кол.

Дренажно-предохранительный клапан «О» и «Г» положение/ перемещение, вибрация 10 Дренажно-предохранительный клапан «О» и «Г» положение/ перемещение, вибрация 2

Демпфер положение/ перемещение, вибрация 4 Клапан пуска положение/ перемещение 6

Клапан пневматический положение/ перемещение 10 Клапан заправочный положение/ перемещение 2

Клапан заправочный положение/ перемещение 10 Клапан сброса положение/ перемещение 1

Клапан циркуляции положение/ перемещение 12 Клапан пневматический положение/ перемещение 1

Клапан- расходомер- отсекатель положение/ перемещение 1 Клапан пусковой положение/ перемещение 1

Клапан циркулярный обратный положение/ перемещение 1 Электропневматический клапан положение/ перемещение 7

Клапан дренажный 1 положение/ перемещение 5

Клапан дренажный 2 положение/ перемещение 5

Электропневматический клапан положение/ перемещение 45

ВСЕГО 123 датчика, адаптированных в конструкции 18 наименований 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.. ,+80°С) 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. [1-42]. 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); AdamantCo., Ltd. (Япония); Advanced Optics Solutions GmbH (Германия); Micron Optics Inc. (США) и др. [43-69]. 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 бесконтактные

волоконно-оптические преобразователии перемещения (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 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:

1) анализ существующих преобразователей, пригодных для бесконтактного измерения положения РЭ пневмогидравлических систем;

2) разработка конструкций чувствительных элементов и вторичных электронных преобразователей (ЭП) БВОПП;

3) уточнение существующих и разработка новых моделей конструкций и процессов в БВОПП;

4) разработка методики линеаризации и температурной стабилизации функции преобразования (ФП) БВОПП;

5) проведение анализа погрешностей БВОПП;

6) экспериментальное исследование БВОПП и их элементов.

Научная новизна работы:

1) 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;

2) разработана методика расчета профиля подвижного магнитопровода чувствительного элемента БВОПП, обеспечивающая снижение нелинейности ФП до величины 0,32%;

3) 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 + 80°С).

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:

1) комплекс аналитических выражений, описывающих энерго-информационные преобразования в БВОПП;

2) методика расчета профиля подвижного магнитопровода ЧЭ;

3) методика линеаризации и температурной стабилизации ФП;

4) алгоритм и программа линеаризации и стабилизации ФП;

5) 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. Королёва; 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 К^МЕЕ157816Х0209.

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.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ БЕСКОНТАКТНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Обзор и классификация существующих устройств и способов бесконтактного контроля состояния регулирующих элементов пневмогидравлических систем

Очевидно, что измерение положения тарели клапана можно осуществить с применением средств на основе электрических и оптоэлектронных датчиков, но они требуют специальных мер взрывозащиты, что приводит к увеличению их массо-габаритных характеристик и стоимости. В то же время бесконтактные волоконно-оптические преобразователи перемещения (БВОПП) не требуют взрывозащищенного исполнения, так как не содержат электрических компонент. Более того, БВОПП позволяют производить измерения без доступа во внутреннюю среду клапана (магнитооптические датчики), осуществляя их монтаж за кожухом клапана ПГС, при закрытом измерительном канале.

Перечисленным требованиям в наибольшей степени соответствуют магнитооптические ВОД. ВОД обеспечивают высокую надежность, поскольку в отличие от электронных датчиков у них отсутствует стадия износа и зависимость надежности от температуры (рисунок 1.1). Кварцевое стекло, используемое в ВОД в качестве линий связи и чувствительных элементов, превосходит конструкционную сталь по ряду параметров: сила сжатия, твердость, рабочая температура, доза радиации (рисунок 1.2).

Рисунок 1.1 - Сравненительные характеристики оптических и электронных

датчиков

Рисунок 1.2 - Сравнительные характеристики кварцевого стекла и нержавеющей

стали

ВОД по сравнению с наиболее распространенными электронными датчиками обладают рядом преимуществ: Пассивность измерений; Дистанционность измерений; Закрытость измерительного канала; Высокая температурная и химическая стойкость; Высокая помехозащищенность, радиационная стойкость; Малые габаритно-массовые характеристики;

- Высокая скорость передачи данных;

- Простота интеграции в сенсорную сеть;

- Возможность аппаратного и функционального резервирования;

- Малое энергопотребление.

Проведенный анализ литературы [1-81] позволил выявить наиболее подходящие варианты существующих ВОД, потенциально пригодные для реализации БВОПП. Ниже приведены наиболее характерные варианты ВОД.

Магнитострикционные ВОД положения на решетках Брэгга

Магнитострикционные материалы нашли широкое применение в ВОД. Магнитострикционные преобразователи применимы для контроля положения и перемещения при использовании внешних источников магнитного поля, таких как соленоиды и магниты, и ферромагнитных объектов, изменяющих параметры магнитного поля. Под действием перемещения объекта происходит деформация чувствительного магнитострикционного элемента. ЧЭ может быть выполнен в виде нанесенного на оптоволокно покрытия или в виде сегмента магнитострикционного материала с закрепленным оптоволокном.

В [69] рассматривается магнитострикционный ВОД положения на волоконных брэгговских решетках (ВБР). ВБР представляет собой участок волоконного световода (как правило, одномодового), в сердцевине которого наведена периодическая структура показателя преломления с периодом Л, имеющая определенное пространственное распределение (рисунок 1.3). Как правило, решетка формируется в фоточувствительной сердцевине световода 1, в то время как показатель преломления кварцевой оболочки 2 остается неизменным. Наиболее важным свойством ВБР является узкополосное отражение оптического излучения на резонансной длине волны решетки, относительная спектральная ширина которого может составлять 10-6м и меньше.

Рисунок 1.3 - Схематическое изображение волоконной решетки показателя

преломления

В основе принципа измерения лежит зависимость резонансной длины волны (длина волны брэгговского пика) Лв с от приложенных к нему механических растягивающих или сжимающих напряжений:

где - изменение температуры; - приложенное механическое напряжение; Р1\> Р12 - коэффициенты упругооптического тензора; V - коэффициент Пуассона;

- коэффициент теплового расширения кварцевого стекла; - эффективный показатель основной моды; - период решетки.

Магнитострикционный ВОД положения (рисунок 1.4) содержит: магнитный элемент 1, широкополосный источник излучения 6, оптическое волокно 5, два чувствительных элемента (ЧЭ), в качестве которых используются ВБР 3.1, 3.2, сегмент магнитострикционного материала 2 и стержень 4, изготовленный из материала, непроницаемого для магнитных полей. ЧЭ 3.2 прикреплен к сегменту магнитострикционного материала 2, а ЧЭ 3.1 - прикреплен к стержню 4, непроницаемого для магнитных полей. При движении магнитного элемента изменяется зазор между ЧЭ 3.2 и магнитным элементом и, как следствие, величина магнитного потока, проходящего через сегмент магнитострикционного материала. Изменение величины магнитного потока приводит к изменению размера магнитострикционного элемента и прикрепленного к нему ЧЭ 3.2. ЧЭ 3.1 используется для температурной компенсации чувствительности ЧЭ 3.2.

Ляп = 2 пЛ

ВС

1 " (у) [Р± 2 ~ У 1 + Р± 2} ] \8+[а +

Рисунок 1.4 - Магнитострикционный БВОПП

Достоинства:

бесконтактность измерения положения (без механического контакта с объектом контроля);

ВОД на основе ВБР позволяют получить высокую точность измерения; возможность осуществления температурной компенсации, т.к. температурная и измерительная ВБР могут быть выполнены на одном оптическом волокне;

- нечувствительность к флуктуациям мощности входного излучения;

- ВОД имеют малые габаритно-массовые показатели.

Недостатки:

- сложная схема обработки оптического сигнала, требующая использования дорогостоящего оборудования (спектрометр высокого разрешения);

- низкое быстродействие многоканальной системы обработки оптического сигнала;

сильная температурная зависимость;

невозможность различить одной ВБР температурное и механическое воздействия на ЧЭ ВОД;

- технологическая сложность обеспечения повторяемости характеристик ВОД.

Поляризационные ВОД магнитного поля

К данным датчикам относятся датчики магнитного поля на основе эффекта Фарадея, датчики электрического поля на основе эффекта Покельса, датчики давления на основе эффекта фотоупругости [14-42, 70-78].

БВОПП можно реализовать на основе ВОД магнитного поля, использующих магнитооптический эффект Фарадея. Для этого достаточно связать источник магнитного поля с объектом контроля, например, разместив на объекте контроля постоянный магнит или включив в магнитную цепь датчика подвижную, связанную с объектом контроля ферромагнитную мембрану.

Рассмотрим датчик тока на основе эффекта Фарадея на примере схемы измерителя тока фирмы Next Phase (рисунок 1.5) [70]. Измеритель работает следующим образом. Источник света посылает оптическое излучение по световоду на линейный поляризатор, затем на расщепитель поляризации, который создаёт два линейно поляризованных потока, а потом на оптический фазовый модулятор. Световые потоки подаются по оптоволокну на измерительный блок, где они проходят через четвертьволновый круговой поляризатор, придающий им право- и левостороннюю поляризацию, далее - через волоконно-оптическую магниточувствительную петлю вокруг проводника, отражаются от конца оптоволокна и возвращаются тем же путем в блок обработки. Во время прохождения света по петле магнитное поле, наводимое током, протекающим по проводнику, создаёт благодаря эффекту Фарадея пропорциональный магнитному полю проводника с током (току) фазовый сдвиг между поляризованными световыми потоками. В блоке обработки световые потоки попадают в оптический детектор, который определяет фазовый сдвиг и преобразует его в аналоговый или цифровой сигнал. Описанная система обеспечивает точность измерения 0,15% в диапазоне токов от 1 до 3000 А, лабораторные образцы имеют погрешность 0,03%.

Блок обработки Измерительный блок

Рисунок 1.5 - Функциональная схема измерителя тока ВОД на эффекте Фарадея

Преимущества:

- высокая точность;

- отсутствует необходимость в многократной юстировке;

- высокое быстродействие (до 100 кГц). Недостатки:

- необходимость использования дорогого магниточувствительного оптического волокна (типа Spun);

- чувствительность к флуктуациям мощности входного излучения и температуре окружающей среды, что требует тщательной стабилизации режимов работы и температурной компенсации;

- большие габаритно-массовые показатели.

Магнитооптические ВОД положения на основе магниточувствителъного оптического волокна

В [79] рассмотрен ВОД положения, использующий магниточувствительное оптическое волокно. Магнитное поле, пронизывающее оптическое волокно, изменяется при перемещении поршня с закрепленным на нем магнитом (рисунок 1.6). В силу низкой магнитооптической чувствительности оптического волокна для получения различимых фазовых сдвигов, оптическое волокно наматывается на катушку. Так как эффект Фарадея проявляется в волокне, в котором свет распространяется вдоль линий магнитной индукции, катушка наматывается тороидально как показано на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Компоновка ЧЭ магнитооптического ВОД положения Преимущества:

- ЧЭ данной конструкции способен работать при низких температурах (промышленно производятся магниты для условий эксплуатации при низких температурах до минус 196 °С);

- высокая точность;

- отсутствует необходимость в многократной юстировке;

- высокое быстродействие (до 10кГц). Недостатки:

- для реализации приемлемой величины чувствительности ЧЭ необходимо использовать оптическую катушку с большим количество витков намотанного на нее оптического волокна;

- для реализации приемлемой величины чувствительности ЧЭ необходимо использовать постоянные магниты с большой величиной намагниченности (до 106

А/м);

- конструкция магнитопровода и подвижной части должны обеспечивать высокую кратность изменения напряженности магнитного поля в оптической катушке (не менее чем в десять раз);

- чувствительность к флуктуациям мощности входного излучения и температуре окружающей среды, что требует тщательной стабилизации режимов работы и температурной компенсации;

- повышение чувствительности ВОД приводит к неприемлемо большим габаритно-массовым показателям.

Поляризационные ВОД перемещения на эффекте Фарадея в пленках железо-иттриевого граната

В [14-42, 71-79] описаны положения теории и рассмотрены варианты конструкции БВОПП, основанные на эффекте Фарадея в пленках железо-иттриевого граната (ЖИГ). На рисунке 1.7 приведена структурная схема БВОПП [14-19]. Световой поток /0 источника света (светодиод, лазер) с круговой поляризацией через многомодовое оптическое волокно и поляризатор проходит через магнитооптический элемент, где под воздействием магнитного поля постоянного магнита, закрепленного на объекте контроля, происходит поворот плоскости поляризации на угол ф. Далее световой поток проходит через анализатор, выделяющий две ортогональные составляющие светового потока и /2, которые через многомодовое волокно поступают на фотоприемные устройства электронного преобразователя (ЭП).

Рисунок 1.7 - Структурная схема ВОД на магнитооптическом эффекте Выходной сигнал У для дифференциального датчика определяется выражением:

YVn) =

У1-У2 Y1 + Y2

(1.2)

где Y± = К± •] и Y 2 = К 2 • ]2 - сигналы на выходах чувствительных элементов; Кг,К2 - коэффициенты, учитывающие преобразование световых потоков ]1)]2 дифференциальных каналов датчика в электрический сигнал, соответственно. Дифференциальная схема БВОПП позволяет компенсировать аддитивную погрешность измерения. Однако, эффективная компенсация погрешностей измерения возможна только при выполнении условия Y1 + Y2^ с о ns t, которое не выполненяется при больших изменениях Y±, Y2.

Достоинства:

незначительные габариты ЧЭ - 79х18х13 мм (без узла для монтажа); компенсация аддитивной погрешности;

- класс точности 1,0;

- ход подвижного штока от 0 до 50 мм;

- влагозащищенный упрочненный кевларом волоконно-оптический кабель 03 мм, ММ (62.5/125), оконцованный волоконно-оптическими разъемами FC/PC.

Недостатки:

невозможность использования формулы (1.2) при больших изменениях

Ylf Y2.

- рабочая температура от 0 до +50 °С;

- высокая нелинейность функции преобразования;

- температура хранения от минус 40 до +85 °С.

Бесконтактные ВОД обнаружения и перемещения на основе ЖИГ В патенте [80] описан бесконтактный ВОД, предназначенный для обнаружения магнитного материала. ВОД содержит: источник излучения; оптический детектор для регистрации выходного оптического излучения, несущего информацию о присутствии магнитного материала; поляризатор (5) и магнитооптический элемент (МОЭ) (6), расположенные друг за другом; зеркало (7), отражающее оптическое излучение обратно через магнитооптический элемент (МОЭ) и поляризатор (рисунок 1.8). Поворот плоскости поляризации оптического излучения в МОЭ (6) свидетельствует о наличии магнитного материала (8) в непосредственной близости к ВОД и приводит к соответствующему изменению интенсивности оптического излучения, определяемого детектором. Четвертьволновая пластина (11), расположенная между МОЭ и зеркалом (7), поворачивает плоскость поляризации обратно отраженного оптического излучения на 90°.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бабаев Орхан Гаджибаба оглы, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Буймистрюк, Г.Я. Информационно-измерительная техника и технология на основе волоконно-оптических датчиков и систем / Г.Я. Буймистрюк. - СПб.: ГРОЦ Минатома, - 2005. - 191 с.

2. Grechishnikov, V. Multisensor transducer based on a parallel fiber optic digital-to-analog converter // V. Grechishnikov, O. Teryaeva, V. Arefiev / MATEC Web of Conferences, 2017. Vol. 102 (2017), pp.1-5.

3. Grechishnikov, V.M. Fiber-optical converters of onboard position sensors for aircraft mechanization devices // Grechishnikov V.M., Teryaeva O.V. / Russian Aeronautics. - 2016. - 59(3). - pp. 426-432.

4. Grechishnikov V.M., Domrachev V.G., Teryaeva O.V., Yudin A.A. Fiber-optic angle converter with adaptive error correction of non-uniform division of optical power // Measurement Techniques. - 2015. -57(11). pp. 1309-1314.

5. Гречишников, В.М. Математическая модель дискретно-фазового преобразователя перемещений оптического и радиоволнового диапазона // В.М. Гречишников, А.И. Данилин / Computer Optics. - 2011. -35(4). - Pp. 495-499.

6. Гречишников В.М., Теряева О.В. Математическая модель оптоэлектронного цифрового преобразователя угла с двумя встроенными параллельными ВОЦАП // Гречишников, В.М. / Международная научно-техническая конференция "Перспективные информационные технологии (ПИТ 2016)" 25-28 апреля 2016 г. -Самара: Издательство Самарского научного центра РАН. - 2016. - С. 857-861.

7. Гречишников, В.М. Цифровой преобразователь перемещения с трехфазным интерполятором в канале точного отсчета // В.М. Гречишников, О.В. Теряева / XIII Международная научно-техническая конференция актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2016. 3-6 октября 2016 г. - Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет. - 2016. С. 107-109.

8. Гречишников, В.М. Мультисенсорный преобразователь на основе секционированных малоразрядных волоконно-оптических ЦАП // Гречишников

В.М., Теряева О.В., Арефьев В.В. / Уральск: Уральский научный вестник. - 2016. -10(2). - С. 127-130.

9. Гречишников, В.М. Волоконно-оптический цифро-аналоговый преобразователь с использованием призмы Порро // Гречишников В.М., Теряева О.В. / Тринадцатая международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения". - Новосибирск: Новосибирский государственный техническоий университет. - 2016. - № 6. - С. 110-112.

10. Гречишников, В.М. Оптоэлектронные цифровые датчики перемещений со встроенными волоконно-оптическими линиями связи / В.М. Гречишников, Н.Е. Конюхов. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 161 с.

11. Конюхов, Н.Е. Оптоэлектронные контрольно-измерительные устройства / Н.Е. Конюхов, А.А. Плют, П.И. Марков. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 150 с.

12. Конюхов, Н.Е. Электромеханические функциональные преобразователи / Н.Е. Конюхов. - М.: Машиностроение, 1977. - 240 с.

13. Matyunin, S.A. Research on characteristics of fiber optic sensors for anthropomorphous robots / S.A. Matyunin // Procedia Engineering. - 2017. - Vol. 176. pp. 128-136.

14. Matyunin S.A., Babaev O.G.O. Experimental study of depolarization of laser radiation by fiber optic elements / S.A. Matyunin, O.G. Babaev // Компьютерная оптика. - 2017. - 41(3). - pp. 385-390.

15. Matyunin, S.A. Linearization of the Positional Characteristics of a Fiber-Optic Transducer Based on the Magneto-Optical Effect / S.A. Matyunin, M.V. Stepanov, O.G. Babaev // Measurement techniques. - 2017. - 60(5), pp. 468-472.

16. Matyunin, S.A., Stepanov M.V., Babaev O.G. Simulation of the characteristics of a magneto-optical displacement transducer / S.A. Matyunin, M.V. Stepanov, O.G. Babaev // Measurement techniques. - 2016. - 59(8). pp. 832-837.

17. Matyunin S.A., Babaev O.G. Contactless fiber-optic vibration sensors for explosive manufacturings // 22nd International Congress on Sound and Vibration, ICSV 2015. - 2015. Vol. 2015-January.

18. Matyunin S.A., Fedotov Y.A., Babaev O.G. и др. Fiber-optical Sensors Based on Mono-crystal Films of Garnet Ferrites for Mechatronic Systems // Procedia Engineering. - 2015. - Vol. 106. Pp. 202-209.

19. Носов, Ю.Р. Оптоэлектроника / Ю.Р. Носов. - М.: Радио и связь, 1989.- 360 с.

20. Бусурин, В.И. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения / В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. -256 с.

21. Окоси, Т. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, X. Нисихара, К. Кюма, К. Хататэ. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1991. - 256 с.

22. Рандошкин, В.В. Прикладная магнитооптика / В.В. Рандошкин, А.Я. Червоненкис. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320с.

23. Удд, Э. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников / Э.Удд. - М.:Техносфера, 2008. - 520 с.

24. Francis, T. Fiber Optic Sensor / T. Francis , Y. Shizhuo. - New York: CRC Press, 2008. - 478 c.

25. Фрайден, Дж. Современные датчики: Справочник / Дж. Фрайден. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с.

26. Потапов, В.Т. Волоконно-оптические датчики магнитного поля и электрического тока на основе эффекта Фарадея в кристаллах Bi12GeO20 и Bi12SiO20 / В.Т. Потапов, Т.В. Потапов, А.В. Кухта, М.Е. Удалов, А. М. Мамедов // Спецвыпуск «Фотон-Экспресс» - Наука. - 2005. - №6. - С. 166-176.

27. Бурков, В.Д. Волоконно-оптический датчики физических величин на основе низкокогерентной интерферометрии / В.Д. Бурков, А.М. Мамедов, В.Т. Потапов, М.Е. Удалов // Лесной вестник. - 2010. - №5. - С. 157-160.

28. Бурков, В.Д. Волоконно-оптический датчик напряженности электрического поля / В.Д. Бурков, А.М. Мамедов, В.Т. Потапов, Т.В. Потапов, М.Е. Удалов // Лесной вестник. - 2008. - №4. - С. 130-132.

29. Бурков, В.Д. Методы волоконно-оптической низкокогерентной интерферометрии и их применение в разработках волоконно-оптических датчков

физических величин / В.Д. Бурков, Л.В. Леонов, В.Т. Потапов, Т.В. Потапов, М.Е. Удалов // Лесной вестник. - 2012. - №3. - С. 174-179.

30. Бурков, В.Д. Волоконно-оптический датчик расстояний/ В.Д. Бурков, В.Т. Потапов, Т.В. Потапов, М.Е. Удалов // Лесной вестник. - 2008. - №6. - С. 149-150.

31. Бурков, В.Д. Анализ и выбор оптимальной системы волоконно-оптического датчика электрического тока / В.Д. Бурков, Н.А. Харитонов, А.Н. Демин // Лесной вестник. 2014 - №2. - С. 127-133.

32. Бурков, В.Д. Исследование путей снижения температурной погрешности однопроходного волоконно-оптического датчика электрического тока на основе оптически активных кристаллов с кубической симметрией Bi12SiO20 и Bi12GeO20 / В.Д. Бурков, Н.А. Харитонов, А.Н. Демин // Лесной вестник. 2015. - №2. - С. 121128.

33. Бурков, В.Д. Методика и аппаратура для контроля метрологических характеристик волоконно-оптических датчиков электрического тока на основе кристаллов с кубической симметрией Bi12SiO20 и Bi12GeO20 / В.Д. Бурков, А.Н. Демин, Н.А. Харитонов // Лесной вестник. 2016. - №2. - С. 199-204.

34. Смыслов, В.И. Экспериментальные исследования дополнительной погрешности волоконно-оптического датчика электрического тока на основе эффекта Фарадея в В^^Ю20 и Bi12GeO20 / В. И. Смыслов, В. Д. Бурков, Т. В. Потапов, А. Н. Демин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2017. -№1(19). - С. 37-44.

35. Хлыбов, А.В. Волоконно-оптические поляриметрические датчики физических величин: диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н.: 01.04.03 / Хлыбов, Артем Владимирович. - СПб., 2004. - 215 с.

36. Ураксеев, М.А. Математическое моделирование оптоволоконных приборов и систем на магнитооптическом эффекте Фарадея / М.А.Ураксеев, Т.М. Левина // Известия ВолГТУ. - 2014. - С. 17-22.

37. Берг, О.И. Расчет и исследование статической характеристики преобразователя перемещений с магнитными метками / Берг О.И., Ураксеев М.А.,

Баженов И.А. // Электротехнические и информационные комплексы и системы. -2013. - 4(9). - С.93-99.

38. Евстафьев, А.И. Математическое моделирование процесса изменения интенсивности светового потока в магнитооптическом преобразователе тока / А.И. Евстафьев, М.А. Ураксеев // Известия ВолГТУ. - 2012. - С. 12-16.

39. Гармаш, В.Б. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении / В.Б. Гармаш, Ф.А. Егоров, Л.Н. Коломиец, А.П. Неугодников, В.И. Поспелов // Спецвыпуск «Фотон-Экспресс» - Наука. - 2005. - №6. - С. 128-140.

40. Гавричев, В.Д. Волоконно-оптические датчики магнитного поля. Учебное пособие / В.Д. Гавричев, А. Л. Дмитриев. - СПб.: ИТМО, 2013.

41. Babaev, O.G. Simulation of contactless fiber-optic system for valve status monitoring / O.G. Babaev S.A. Matyunin, M.V. Stepanov // Procedia Engineering. -2017. - Vol. 176. - P. 2-11.

42. Каталог Оптолинк [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.optolink.ru (дата обращения 02.06.2017).

43. Каталог НЦВО Фотоника [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.forc-photonics.ru (дата обращения 02.06.2017)..

44. Каталог НЦВО РАН [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.fibopt.ru (дата обращения 02.06.2017).

45. Каталог Интел-Системы [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.isi.spb.ru (дата обращения 02.06.2017).

46. Каталог Инверсия-Сенсор [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.i-sensor.ru (дата обращения 02.06.2017).

47. Каталог AdamantCo., Ltd. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.adamant.jp/en (дата обращения 02.06.2017).

48. Каталог Advanced Optics Solutions GmbH [Электронный ресурс] - Режим доступа:http://www.aos-fiber.com (дата обращения 02.06.2017).

49. Каталог Micron Optics Inc. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.micronoptics.com (дата обращения 02.06.2017).

50. Каталог HBM FiberSensing [Электронный ресурс] - Режим доступа:https://www.hbm.com/en/5501/sensors (дата обращения 02.06.2017).

51. Каталог OZ Optics Limited [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ozoptics.com (дата обращения 02.06.2017).

52. Каталог Smart Fibres Ltd. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.smartfibres.com (дата обращения 02.06.2017).

53. Каталог SpectrEcology LLC [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.spectrecology.com (дата обращения 02.06.2017).

54. Каталог Technica Optical Components LLC [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://technicasa.com (дата обращения 02.06.2017).

55. Каталог Art photonics GmbH [Электронный ресурс] - Режим доступа:http://www.artphotonics.de (дата обращения 02.06.2017).

56. Каталог Ascentta Inc. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ascentta.com (дата обращения 02.06.2017).

57. Каталог Equitech Int'l Corp. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.equitechintl.com (дата обращения 02.06.2017).

58. Каталог Fiber SenSys Inc. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://fibersensys.com (дата обращения 02.06.2017).

59. Каталог Luma Sense Technologies Inc. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.lumasenseinc.com (дата обращения 02.06.2017).

60. Каталог Micro Materials Inc. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.micromaterialsinc.com (дата обращения 02.06.2017).

61. Каталог Micronor Inc. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://micronor.com (дата обращения 02.06.2017).

62. Каталог Optromix Inc. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://optromix.com (дата обращения 02.06.2017).

63. Каталог Photon Control Inc. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.photon-control.com (дата обращения 02.06.2017).

64. Каталог ProximionAB [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.proximion.com (дата обращения 02.06.2017).

65. Каталог Sensuron [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.sensuron.com (дата обращения 02.06.2017).

66. Каталог SRICO Inc. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.srico.com (дата обращения 02.06.2017).

67. Каталог White Bear Photonics LLC [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.whitebearphotonics.com (дата обращения 02.06.2017).

68. Каталог FISO Technologies [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.fiso.com (дата обращения 02.06.2017).

69. Пат. 2413178 РФ, МПК G01B 11/00, G01D 5/353. Волоконно-оптический датчик положения / Видал Жозе Луис Ариас, Фрейтас Рикардо Мунос, Брага Артур Мартинс Барбоза [и др.]; заявитель и патентообладатель Петролео Бразилейро С.А. - Петробрас. - № 2006116928/28; заявл. 10.12.2007; опубл. 27.02.2011; Бюл. № 6. - 10 с.

70. Бейли, Д. Волоконная оптика: теория и практика / Д. Бейли, Э. Райт. - М.: Кулиц-Пресс, 2008. - 320 с.

71. Кухта, А. В. Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока с термостабильным чувствительным элементом, на основе Bi12SiO20 / А. В. Кухта // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. - 1998. - 294(11). - С. 129-138.

72. Потапов, Т.В. Экспериментальное исследование температурной стабильности датчиков магнитного поля на основе кристаллов Bi12Si020 / Т.В. Потапов // Письма в ЖТФ, 1998. - 24(11). - С.26-33.

73. Francis, T. Fiber Optic Sensor / T. Francis, Y. Shizhuo // New York: CRC Press, 2008. - 478 pp.

74. Matyunin, S.A. Contactless fiber-optic vibration sensors for explosive manufacturings / S.A. Matyunin, O.G. Babaev // Proc. The 22nd International Congress on Sound and Vi-bration ICSV22, Florence (Italy), 12-16 July 2015.

75. Matyunin, S.A. Fiber-optical sensors based on monocrystal films of garnet ferrites for mechatronic systems / S.A. Matyunin, O.G. Babaev // Procedia Engineering. - 2015. - № 106. - C. 202-209.

76. Матюнин, С.А. Бесконтактные волоконно-оптические датчики физических величин для высокоточных систем управления антропоморфными роботами и роботизированными платформами / С.А. Матюнин, В.Н. Илюхин // Материалы десятой всероссийской научно-практической конференции "Перспективные системы и задачи управления". - Домбай, 5-10 апреля 2015. - № 2. - С. 21.

77. Матюнин, С.А. Моделирование характеристик магнитооптического преобразователя перемещения / С. А. Матюнин, М.В. Степанов, О.Г. Бабаев // Измерительная техника. - 2016. - № 8. - С. 30-33.

78. Федоринин, В.Н. Поляризационные оптические датчики для измерения физических величин / В.Н. Федоринин, В.И. Сидоров // Вестник СибГУТИ, 2009.

- № 3. - С. 46-56.

79. Отчет ОКР « Разработка волоконно-оптических сенсоров и трансиверов контроля состояния пневмо-гидравлических систем ракет-носителей (ПГС РН)» СГАУ им. С.П. Королева; рук. Матюнин С.А. - Самара, 2015. - 157 с. - 220х-023-30г.

80. Пат. DE102007057897A1 Германии. МПК G01V8/10. Optischer Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials / Peter Paul Dr. Deimel, Thomas Pistner, Andreas Prücklmeier // заявитель и патентообладатель: Eads Deutschland Gmbh. - заявл. 29.11.2007; опубл. 10.06.2009. - 8 с.

81. Пат. DE102007036269A1 Германии, МПК G01D5/56, G01B11/02, G01D5/34. Optischer Näherungssensor zur Messung eines Abstandes zu einem magnetischen Material / Peter Paul Dr. Deimel, Thomas Pistner, Andreas Prücklmeier // заявитель и патентообладатель: Eads Deutschland Gmbh. - заявл. 10.07.2007; опубл. 05.02.2009.

- 10 с.

82. Корн, Г.А. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г.А. Корн, Т.М. Корн. - М.: «Наука», 1978. - 277 с.

83. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи/ Л.А. Бессонов. - М.: Гардарики, 2002. - 638 с.

84. Пятин, Ю.М. Постоянные магниты: Справочник / Ю.М. Пятин. - М.: Энергия, 1980. - 488 с.

85. Джеррард, А. Введение в матричную оптику / А. Джеррард, Д.М. Берч. - М.: Мир, 1978. -341 с.

86. Шерклифф, У. Поляризованный свет / У. Шерклифф. - М.:Мир, 1965. -264 с.

87. Каталог LasersCom. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https: //www. laserscom. com.

88. Ладугин, М.А. Температурная зависимость пороговой плотности тока и внешей дифференциальной квантовой эффективности в полупроводниковых лазерах / М.А. Ладугин, А.В. Лютецкий, А.А. Мармалюк // Физика и техника полупроводников. - 2010. - 44(10). - С. 1417-1421.

89. Шашкин, И.С. Температурная зависимость пороговой плотности тока в полупроводниковых лазерах / И.С. Шашкин, Д.А. Винокуров, А.В. Лютецкий // Физика и техника полупроводников. - 2012. - 46(9). - С. 1234-1238.

90. Ефанов, В.И. Расчет потерь в делителях оптической мощности и затухания в оптическом волокне / Ефанов В.И., Гриншпон Я.С., Вождаев Д.В., Уткина А.С. // T-COMM - Телекоммуникации и транспорт. - 2014. - №9. - С. 39-41.

91. Каталог Osram [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.osram-os.com.

92. Резак, Е. В. Учет погрешности измерения длины оптического волокна [Текст] / Е. В. Резак, М. Р. Прокопович // Вестик ТОГУ. - 2008. - 4(11). - С. 167-172.

93. ГОСТ 15130-86. Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1986. - 31 с.

94. Зверев, В.А. Оптические материалы. Часть 2. Учебное пособие для конструкторов оптических систем и приборов. / Зверев В.А., Е.В. Кривопустова, Т.В. Точилина - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - 248 с.

95. ГОСТ 10160-75. Сплавы прецизионные магнитно-мягкие. Технические условия. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1975. - 77 с.

96. Матюнин, С.А. Многокомпонентные оптоэлектронные элементы и устройства спектрального взаимодействия: диссертация на соискание ученой степени д.т.н.: 05.13.05 / Матюнин Сергей Александрович // Самара, 2001 г. - 351 с.

97. Вольфганг, Р. Как работают аналогово-цифровые преобразователи / Р. Вольфганг // Компоненты и технологии. - 2005. - №3. -С.116-121.

98. Бабаев, О.Г. Экспериментальное исследование волоконно-оптического датчика магнитного поля на основе железо-иттриевого граната / О.Г. Бабаев, А.М. Уденеев, Д.А. Прилуцкий // XI Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике: сборник конкурсных докладов (Самара, 6-10 ноября 2013 г.). - М.: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, 2013. -С.61-67.

99. Берикашвили, В.Ш. Волоконно-оптические датчики на пленках ЖИГ с BI для измерения напряженности магнитного поля и силы тока / В.Ш. Берикашвили, В.С. Чижов, М.Я. Яковлев // Журнал радиоэлектроники РАН №4, 2002. - С.6.

100. Гижевский, Б.А. Оптические и магнитооптические свойства наноструктурного железо-иттриевого граната / Б.А. Гижевский, Ю.П. Сухоруков // Физика твердого тела. - 2009. - 51(9). - С. 1729-1734.

101. Image Acquisition Toolbox - Захват и передача данных с платы захвата [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //matlab .exponenta.ru/imageacquis/index.php

102. Матюнин, С.А. Экспериментальное исследование деполяризации лазерного излучения элементами волоконной оптики / С.А. Матюнин, О.Г. Бабаев // Компьютерная оптика. - 2017. - 41(3). - С. 385-390.

103. Gisin, N. Polarization mode dispersion of short and long single-mode fibers / N. Gisin, J.-P. Von der Weid, J.-P. Pellaux // J. Lightwave Technol. - 1991. - Vol. 9. - P. 821-827.

104. Poole, C. D. Statistical treatment of polarization dispersion in singlemode fiber/ C. D. Poole // Opt. Lett. - 1988. - Vol. 13. - P. 687-689.

105. Palmieri, L. Distributed polarimetric measurements for optical fiber sensing/ L. Palmieri // Optical Fiber Technology. - 2013. - Vol. 19. - P. 720-728.

106. Rashleigh, S.C. Polarimetric sensors: Exploiting the axial stress in high birefringence fibers / S.C. Rashleigh // Proc. of First International Conference on Optical Fibre Sensors (OFS-1). -London. - 1983. - P. 210-212.

107. Alferov, S.V. Study of polarization properties of fiber-optics probes with use of a binary phase plate / S.V. Alferov, S.N. Khonina, S.V. Karpeev // Journal of Optical Society of America A. - 2014. - 31(4). - P. 802-807.

108. Karpeev SV. Fibre sensors based on transverse mode selection. / S.V. Karpeev, V.S. Pavelyev, S.N. Khonina, N.L. Kazanskiy, A.V. Gavrilov, V.A. Eropolov // Journal of Modern Optics. - 2007. - 54 (6). - P. 833-844.

109. Garitchev, V.P. Experimental investigation of mode coupling in a multimode graded-index fiber, caused by periodic microbends using computer-generated spatial filters. / V.P. Garitchev, M.A. Go1ub, S.V. Karpeev, S.G. Krivoshlykov, N.I. Petrov, I.N. Sissakian, V.A. Soifer, W. Haubenreisser, J.-U. Jahn, R. Willsch // Optics Communication. - 1985. - 55 (6). - P. 403-405.

110. Карпеев, С.В. Анализ и формирование многомодовых лазерных пучков методами дифракционной оптики / С.В. Карпеев. - М.: Радио и связь, 2005. - 120 с.

111. Gordon, J.P. PMD fundamentals: polarization mode dispersion in optical fibers / J.P. Gordon, H. Kogelnik // Proceedings of the National Academy of Science. - 2000. -Vol. 97. -P. 4541-4550.

112. Rogers, A.J. Polarization-optical time domain reflectometry: a technique for the measurement of field distributions / A.J. Rogers // Applied Optics. - 1981. - Vol. 20. -P. 1060-1074.

113. Grattan, L.S. Optical fiber sensor technology: Advanced applications - Bragg gratings and distributed sensors / L.S. Grattan, B.T. Meggitt. - Ney York: Springer, 2000. - 385 p.

114. Matyunin, S.A. Research on characteristics of fiber optic sensors for anthropomorphous robots / S.A. Matyunin // Procedia Engineering. - 2017. - Vol. 176. - P. 128-136.

Листинг программы для определения оптимального варианта магнитного концентратора в среде моделирования FlexPDE

title 'SENSOR_ELEMENT' Select

NGRID=50 {chislo yacheek setki v maximalnom izmerenii} C0NT0URS=100 {Zadannoe chislo konturnyh urovnej} errlim = 1e-6 {ocenka otnositelnoj pogreshnosti v zavisimyh peremennyh} Variables

A { z-component of Vector Magnetic Potential } Definitions mu

Bex = dy(A) Bey = -dx(A)

B = vector(Bex, Bey) { VEKTOR, komponenty - 2 ili 3 skalyarnye parametry} Bm = magnitude(B) {skalyar, ravnyj dline vektornogo argumenta} Px = 0 { Magnetization components }

Py = 0

P = vector(Px,Py) { Magnetization vector } H = (curl(A)-P)/mu { Magnetic field } S = 0 { current density }

y0 = 10 { Size parameter }

{J0 = SINTEGRAL (ABS(Bex/mu), 11) poverhn integral B po 11 domenu} Hz = ABS(xcomp(H)) { Hz = ABS(Bex/mu)} t=1.25 {R trubki-adaptera} g=0.9 {R gradana}

V = 0.5*t; M = 0; D = t; Treug = 2.5*t; TT = 2.5*t; VV = 2.5*t; VVV = 3*t {tip koncentratora}

10 = 30+V {udlinenie magprovoda zavisit ot tipa koncentratora - vybor tipa koncentratora (V, M, D, Treug, TT, VV, VVV)}

h0 = 30 {vnytr vyisota magprov}

11 = 2 {tolshina magprov po X} h1 = 2 {tolshina magprov po Y}

12 = 0 {vyistyp pod magnit po X}

h2 = 5 {vyistyp pod magnit po Y = diametr magnita}

13 = 5 {dlina magnita}

r = 0.175 {R skryglenya trubki-adaptera}

k = 3.535 {vysota k osnovaniu(gipotenuze)=1/2gipotenuza prizmy} x1 = l1+l0/2+10 {area - X}

y1 = h1+h0/2+10 (area - Y} x2 = 11+10/2 (magprov - X vneshnyi} y2 = h1+h0/2 (magprov - Y vneshnyi} x3 = 10/2 (magprov - X vnytr} y3 = h0/2 (magprov - Y vnetr}

z_moe = 2 (X-sdvig MOE otnositelno torca trubki-adaptera}

J_in = 1 (10mW - intensivnost' na vhode SE FOS}

R1_11 = 0.04 (otrajenie volokno-gradan}

R1_2 = 0.04 (otrajenie gradan-polarizator}

R2_ok = 0.04 (otrajenie po1arizator-opticheski_k1ei}

Rok_34 = 0.04 (otrajenie opticheski_k1ei-MOE}

R34_ok = 0.04 (otrajenie MOE-opticheski_k1ei}

Rok_5 = 0.04 (otrajenie opticheski_k1ei-prizma}

R5_ok = 0.04 (otrajenie prizma-opticheski_k1ei}

Rok_8 = 0.04 (otrajenie opticheski_k1ei-ana1izator}

R8_9 = 0.04 (otrajenie ana1izator-gradan}

R9_11 = 0.04 (otrajenie gradan-vo1okno}

a_moe = 0.05 (otrajenie MOE}

h_moe = 0.01 (to1shina MOE}

a_p1 = 0.05 (otrajenie po1arizatora}

h_p1 = 0.03 (to1shina po1arizatora}

k_moe = 0.8 (pog1oshenie MOE}

Fi = 45*pi/180 (ygo1 po1arizator-ana1izator}

Verde=6.75 (postoyannaya Verde YIG}

C = (1-a_moe)*(1-a_p1)*(1-R1_11)*(1-R1_2)*(1-R2_ok)*(1-Rok_34)*(1-R34_ok)*(1-Rok_5)*(1 -R5_ok)*(1 -Rok_8)*(1 -R8_9)*(1 -R9_11 )*exp(-a_moe*h_moe-a_p1*h_p1)(koefficient, ychitivaushii poteri na otrajenie ot vseh e1ementov SE FOS} J_out = C*J_in*SINTEGRAL((k_moe+(1-k_moe)*(sin(Fi+Verde*Hz*h_moe))A2), 7) (intensivnost' opt. iz1. na vihode SE FOS} Initia1 va1ues

A = 0 Equations cur1(H) + S = 0 Boundaries Region 1 (area} mu = 1 start(x1,y1)

natura1(A) = 0 1ine to (x1,-y1)

va1ue(A) = 0 1ine to (-x1,-y1) to (-x1,y1) to c1ose

Region 2 (magprov} mu = 4000 start (x2,y2)

1ine to (x2,-y2) to (-x2,-y2) to (-x2,y2) to c1ose start (x3,y3)

line to (x3,-y3) to (-x3,-y3) to (-x3,y3) to close

Région 3 {vyistyp pod magnit} mu = 4000

start (l0/2,h2/2) line to (l0/2,-h2/2) to (l0/2-l2,-h2/2) to (l0/2-l2,h2/2) to close

Région 4 {the permanent magnet} mu = 1 Px = 100

start (l0/2-l2,h2/5)

line to (l0/2-l2,-h2/5) to (l0/2-l2-l3,-h2/5) to (l0/2-l2-l3,h2/5) to close

Region 5 {tube-1} mu = 4000 start (-l0/2,t)

line to (-l0/2+10,t) to (-l0/2+9,g) to (-l0/2,g) to close start (-l0/2,-t)

line to (-l0/2+10,-t) to (-l0/2+9,-g) to (-l0/2,-g) to close

Region 6 {gradan} mu = 1.05 start (-l0/2+10,g)

line to (-l0/2+10,-g) to (-l0/2,-g) to (-l0/2,g) to close

{Region 7 {YIG} mu = 4

start (-l0/2+10+z_moe, t)

line to (-l0/2+10+z_moe+h_moe, t) to (-l0/2+10+z_moe+h_moe, -t) to (-l0/2+10+z_moe, -t) to close}

Region 7 {YIG} mu = 4

start (-l0/2+10+z_moe, t)

line to (-l0/2+10+z_moe, -t) to close

Region 8 {prizm} mu = 1.05 start (-l0/2+11,k)

line to (-l0/2+11+k,0) to (-l0/2+11,-k) to close

{Region 9 {V-koncentrator} mu = 4000

start (-l0/2+11+k-t,t) line to (-l0/2+11+k,0) to (-l0/2+11+k-t,-t) to (-l0/2+11+k+t,-t) to (-l0/2+11+k+2*t,0) to (-l0/2+11+k+t,t) to close}

{Region 9 {M-koncentrator} mu = 4000

start (-l0/2+11+k-t,t) line to (-l0/2+11+k,0) to (-l0/2+11+k-t,-t) to (-l0/2+11+k+1.5*t,-t) to (-l0/2+11+k+ 1.5*t,t) to close}

{Region 9 {D-koncentrator} mu = 4000

start (-l0/2+11+k,t) line to (-l0/2+11+k,-t) to (-l0/2+11+k+1.5*t,-t) to (-l0/2+11+k+2.5*t,0) to (-l0/2+11 +k+ 1.5*t,t) to close}

{Region 9 {Treygoln-koncentrator} mu = 4000

start (-l0/2+11+k,t) line to (-l0/2+11+k,-t) to (-10/2+11+k+4*t,0) to close}

{Region 9 {T-koncentrator} mu = 4000

start (-l0/2+11+k,t) line to (-l0/2+11+k,-t) to (-l0/2+11+k+0.5*t,-t) to (-l0/2+11+k+0.5*t,-0.5) to (-l0/2+11+k+3*t,-0.5) to (-l0/2+11+k+3*t,-t) to (-l0/2+11+k+4*t,-t) to (-l0/2+11+k+4*t,t) to (-l0/2+11+k+3*t,t) to (-l0/2+11+k+3*t,0.5) to (-l0/2+11+k+0.5*t,0.5) to (-l0/2+11+k+0.5*t,t) to close}

{Region 9 {VV-koncentrator} mu = 4000

start (-l0/2+11+k,t) line to (-l0/2+11+k,-t) to (-l0/2+11+k+0.5*t,-0.5) to (-l0/2+11+k+3*t,-0.5) to (-l0/2+11+k+4*t,-2) to (-l0/2+11+k+4*t,2) to (-l0/2+11+k+3*t,0.5) to (-l0/2+11+k+0.5*t,0.5) to close}

Region 9 {VVV-koncentrator} mu = 4000

start (-l0/2+11+k-t,t) line to (-l0/2+11+k,0) to (-l0/2+11+k-t,-t) to (-l0/2+11+k+0.5*t,-0.5) to (-l0/2+11+k+3.5*t,-0.5) to (-l0/2+11+k+4.5*t,-2) to (-l0/2+11+k+4.5*t,2) to (-l0/2+11+k+3.5*t,0.5) to (-l0/2+11+k+0.5*t,0.5) to close Monitors contour(A) Plots

contour(A) as 'Az MAGNETIC' ZOOM (-6, -8, 14, 14)

ELEVATION(Bex) FROM (-l0/2+10+z_moe/2,-2*t) to (-l0/2+10+z_moe/2,2*t) as 'Bex_moe'

ELEVATION(Hz) FROM (-l0/2+10+z_moe/2,-g) to (-l0/2+10+z_moe/2,g) as 'Hz_moe'

{table (Bex) ZOOM (-l0/2+z_moe/2,-t, 1, 2*t) table (C) ZOOM (-l0/2+z_moe/2,-t, 1, 2*t) table (z_moe) ZOOM (-l0/2+z_moe/2, -t, 1, 2*t) table (j_out) ZOOM (-l0/2+10+z_moe,-t, -l0/2+10+z_moe, t)} summaryreport (J_out) End

Схемотехнические и алгоритмические особенности ЭП

Принципиальная схема варианта ЭП с локальными и общим каналами стабилизации изображена на рисунке А.1. ЭП состоит из источника питания (БС-БС преобразователя из 5В в +5В, -5 В) на микросхеме источника опорного напряжения БЭЭ (4,08 В) и микропроцессорного ВВУ на микросхеме АОиС842. На инструментальных усилителях БА1, БАЗ (микросхемы А0620) и фотодиодах УО1, УО2 собраны предварительные усилители, а на прецизионных операционных усилителях БА2 (микросхема АО8572) масштабирующий усилитель (БА2А) и следящий усилитель обратной связи (БА2В), управляющий током накачки ЛД ЬБ1. На инструментальном усилителе БА4 (микросхемы А0620) собран выходной каскад ЭП с защитой от короткого замыкания, подключенный к выходу цифроаналогового преобразователя микропроцессора на микросхеме АБиС842.

Микропроцессор производит оцифровку измерительных сигналов, их масштабирование и линеаризацию. Результат вычислений поступает на цифроаналоговый преобразователь.

На транзисторе УТ1 и кнопке КМЗ собрана схема начального пуска микропроцессора.

Кнопка КМ2 используется для программирования микропроцессора.

Кнопка КМ1 предназначена для синхронизации измерений при записи калибровочной функции БВОПП.

Порт Р0 микропроцессора предназначен для конфигурирования режима работы микропроцессора.

Рисунок А.1 - Схема дифференциального ЭП с локальными и общим каналами

стабилизации

В таблице А.1 приведено распределение и назначение портов микропроцессора. Перемычка Р1 определяет режим работы микропроцессора.

Таблица А. 1 - Распределение портов микропроцессора

Значение управляю щего бита Режим Порт приема информации Порт передачи информации Включение режима Действия

Р0.0 0 Синхронизация режима калибровки (Р0.0=0 отрицательным фронтом) Р0 Я8232 Кнопка КМ1 Начало процедуры измерения калибровочной характеристики для текущего значения аргумента. После окончания переход в режим ожидания синхронизации измерения для следующего значения аргумента. Окончание режима - удаление перемычки Р0.7, затем нажатие кнопки КМ3 (СБРОС) микропроцессора

1

Р0.5 0 Включить канал Я8232 Р3.0 ЯХБ, Р3.1 тхэ Перемычк а Связь с внешней ЭВМ для программирования микропроцессора

1 Выключить канал Я8232

Р0.6 0 Включить канал 8Р1 Р3.2 N88, Р3.3 М180, 8БЛТЛ М081, 8СШСК 8СЬК Перемычк а Связь с микропроцессором управления

1 Выключить канал 8Р1

Р0.7 0 Включить режим измерения калибровочной характеристики ЛБС0 ЛЭС1 ЛБС2 ЛБС3 Я8232 Перемычк а Процедура измерения калибровочной характеристики текущего датчика. Синхронизируется нажатием кнопки КМ1, после установки подвижной каретки датчика в следующее положение.

1 Выключить режим измерения калибровочной характеристики

На рисунке А.2 представлена компоновка ЭП.

Следует отметить, что этот вариант построения дифференциального инструментального усилителя на трех однотипных операционных усилителях обеспечивает более высокий коэффициент подавления синфазного входного сигнала, чем в других вариантах схем.

1 2 3 4 5 6 7

Рисунок А.2 - Компоновка универсального ЭП

На рисунке А.2 использованы следующие позиционные обозначения:

1. Оптический разъем выхода излучения ЛД для подключения ЧЭь

2. Оптический разъем выхода излучения ЛД для подключения ЧЭ2;

3. Оптический разъем (вход) для подключения излучения ЧЭ2 к ФД VD3;

4. Оптический разъем (вход) для подключения излучения ЧЭ1 к ФД VD2;

5. Выход аналогового сигнала X_OUT1;

6. Клеммы для подключения последовательных портов PSI, RS232;

7. Клеммы для подключения источника питания постоянного напряжения 5 В;

8. DC-DC преобразователь, микросхема DD1;

9. ЛД LD6;

10. Микропроцессор (DD2);

11. Перемычки для конфигурирования режима работы Р7;

12. Кнопка КН3 RESET;

13. Кнопка режима записи программы КН2;

14. Кнопка КН1 установки Хмин;

15. Кнопка КН2 установки Хмакс;

16. Резистор R45 установки тока ЛД;

17. Клеммы К2 контроля сигнала канала 2;

18. Клеммы К1 контроля сигнала канала 1;

19. Клеммы КЗ контроля сигнала канала 3;

20. Клеммы контроля тока ЛД (К4).

Выбор варианта подключения стабилизирующей обратной связи определяется перемычками Р6 (таблица А.2).

Таблица А.2 - Выбор варианта подключения стабилизирующей обратной связи

Установленная Номер Описание варианта

перемычка варианта

Р6.1-Р6.2 1 Общая обратная связь по каналу 2 (одноканальный недифференциальный режим работы ЭП)

Р6.3-Р6.4 2 Общая обратная связь дополнительным каналом стабилизации

Р6.5-Р6.6 4 Локальная обратная связь встроенным в лазерный модуль фотодиодом

Р6.1-Р6.2 3 Общая обратная связь дополнительным каналом стабилизации. Регулировка осуществляется по программе микропроцессора через порт цифроаналогового преобразователя БЛС1

Алгоритм работы микропроцессора ЭП приведен на рисунке А.З.

Рисунок А.3 - Алгоритм работы микропроцессора ЭП

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИЙ ЦЕНТР «ПРОГРЕСС»

(АО «РКЦ «ПРОГРЕСС»)

РКЦ I ПРОГРЕСС"

ул. Земеца, д.18, г. Самара, 443009, тел. [phone], факс [phone], E-mail: [e-mail]

ОКПО 43892776, ИНН 6312139922, КПП 997850001.

СУ.С9.Х\ь№ /1 125

АКТ

О внедрении научных положений и выводов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук-Бабаева Орхана Гаджибаба оглы в АО «PKI l»I Iporpccc»

Теоретические положения, результаты моделирования, экспериментального исследования и методика проектирования бесконтактных волоконно-оптических датчиков контроля состояния клапанов ппсвмогидравлических систем ракет-поситслсй, разработанные в диссертационной работе Бабаева О.Г., внедрены в проектную деятельность АО «РК1 { «1 Iporpccc».

Разработанные в диссертационной работе Бабаева О.Г. волоконно-оптические датчики позволяют осуществлять бесконтактный контроль (без механического контакта с объектом контроля и через герметичную, например металлическую оболочку, изолирующую объект контроля от внешней среды) положения затворов клапанов ппевмо-гидравлических систем ракет-носителей, получить и передать но каналам телеметрии в бортовую систему управления информацию о состоянии клапанов ппевмо-гидравлических систем в реальном масштабе времени, снизить, тем самым, вероятность отказов систем управления двигателями ракет-носителей.

конструктора по ипевмогидроавтоматикс, заслуженный конструктор РФ

Макарьянц М.В.