Технологическое проектирование высокотемпературных волоконно-оптических датчиков давления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат наук Бростилов, Сергей Александрович

• Бростилов, Сергей Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Бростилов, Сергей Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПРЕДМЕТА ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ состояния вопроса создания и внедрения волоконно-оптических систем и датчиков давления на изделиях ракетно-космической и авиационной техники

1.2 Искро-взрыво-пожаробезопасность волоконно-оптических информационно-измерительных систем и систем управления

1.3 Анализ существующих волоконно-оптических датчиков давления и

технологии их изготовления

Основные выводы и результаты

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ

2.1 Математическая формализация процесса распространения светового потока в волоконно-оптическом преобразователе микроперемещения отражательного типа

2.2 Обоснование выбора физической реализации волоконно-оптических преобразователей микроперемещений отражательного типа

2.3 Численное математическое моделирование конструктивно-технологических параметров волоконно-оптического преобразователя

микроперемещений отражательного тип

Основные выводы и результаты

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ

3.1 Конструктивно-технологические особенности изготовления волоконно-оптического датчика давления на основе разработки волоконно-оптического преобразователя микроперемещений

3.2 Принцип действия и функция преобразования волоконно-оптического датчика давления на основе волоконно-оптического преобразователя микроперемещений отражательного типа

3.3 Методика расчета конструктивных параметров отдельных узлов волоконно-оптического датчика давления на основе волоконно-оптического преобразователя микроперемещений отражательного типа

3.4 Выбор элементной базы высокотемпературных волоконно-

оптических датчиков давления отражательного типа

Основные выводы и результаты

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

4.1 Метрологический анализ высокотемпературного волоконно-оптического датчика давления

4.2 Описание измерительной установки для сборки, юстировки и исследования волоконно-оптических датчиков давления

4.3 Экспериментальные исследования волоконно-оптического датчика

давления на основе ВОПМП

Основные выводы и результаты

Заключение

Перечень принятых сокращений

Библиографический список

ПРИЛОЖЕНИЕ А Технические характеристики зарубежных

и отечественных датчиков давления

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Программы моделирования распределения светового потока в пространстве ВОП микроперемещения

ПРИЛОЖЕНИЕ В Патент РФ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Фотографии и сборочный чертеж макетного образца

ВОДД отражательного типа

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Методики испытаний на воздействие повышенной

температуры окружающей среды

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Акты внедрения результатов диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое проектирование высокотемпературных волоконно-оптических датчиков давления»

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к современным информационно-измерительным системам ракетно-космической и авиационной техники (РК и АТ), являются повышенная надежность и точность измерений. При этом все чаще встречаются требования абсолютной искро-, взрыво-, пожаробезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех. В отличие от традиционных систем волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС) на основе волоконно-оптических датчиков позволяют решить эти задачи.

Сложность разработки и внедрения ВОИИС обусловлена необходимостью разработки и совершенствования технологических процессов и процедур изготовления волоконно-оптических датчиков, снижения их массогабаритных характеристик, существенного улучшения метрологических характеристик, обеспечения работоспособности в жестких условиях эксплуатации. Так, до сих пор практически не решены вопросы измерения высокого давления с помощью волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД) при температурах до плюс 500 °С.

В настоящее время наиболее отработаны для серийного изготовления ВОДД отражательного типа, имеющие простые технологию изготовления и конструкцию и не рассчитанные на работу в жестких условиях эксплуатации из-за высоких дополнительных погрешностей, обусловленных изменениями параметров источников и приемников излучения (свето- и фотодиодов), металлических мембран, возможными изгибами оптических волокон. Температурная погрешность при таких высоких температурах может достигать 10 %. Так как оптические волокна в ВОДД отражательного типа устанавливаются относительно мембраны в дальней зоне дифракции (на расстоянии 1...1,5 мм), то для обеспечения высокой чувствительности преобразования оптического сигнала прогиб мембраны должен быть 50... 150

мкм, что ведет к большой динамической погрешности, а также необходимости применять несколько отводящих оптических волокон, что ведет к увеличению массогабаритных характеристик и стоимости ВОДД.

Поэтому создание малогабаритных высокотемпературных ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками на основе совершенствования технологии изготовления является актуальной задачей, решение которой открывает новые возможности для разработки и внедрения искро-, взрыво-. пожаробезопасных и надежных ВОИИС на перспективных образцах РК и АТ.

Использование стеклянной мембраны в этом случае обеспечивает существенное увеличение глубины модуляции оптического сигнала, снижение температурной и динамической погрешностей почти на порядок.

При этом определяющими при создании новых ВОДД являются вопросы технологического характера, так как речь идет о позиционировании и конфигурации оптических элементов (подводящих и отводящих оптических волокон, стеклянной мембраны) относительно друг друга в диапазоне 0...10 мкм в составе базовых волоконно-оптических преобразователей микроперемещений (ВОПМП), являющихся основными элементами ВОДД.

Цель и задача, исследования и разработки. Целью диссертационной работы является совершенствование технологии изготовления и повышение технологичности высокотемпературных волоконно-оптических датчиков давления повышенной точности и надежности.

Научная задача, решенная в работе, - исследование и разработка научно-обоснованных технических решений и технологии изготовления высокотемпературных ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, используемых в ВОИИС ракетно-космической и авиационной техники.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

- провести анализ существующих технологий изготовления ВОДД и обосновать необходимость их совершенствования с точки зрения технологичности ВОДД;

- разработать технологии изготовления базовых ВОПМП, принцип действия которых основан на изменении отражательной способности электромагнитных волн инфракрасного диапазона в области срезанных торцов оптических волокон вблизи модулирующего оптического элемента (МОЭ), включающие технологию позиционирования элементов, технологические процедуры юстировки и регулировки оптических систем ВОПМП, обеспечивающие максимальную глубину модуляции и высокую чувствительность преобразования оптического сигнала;

- вывести функциональную зависимость между выходным и входным сигналами оптической системы, учитывающую особенности конструктивно-технологического исполнения скошенных торцов подводящих (ПОВ) и отводящих (ООВ) оптических волокон, и на основе численного моделирования определить конструктивно-технологические параметры оптической системы, обеспечивающие выполнение условий снижения температурной погрешности, повышения чувствительности преобразования оптического сигнала при одновременном снижении массогабаритных характеристик ВОДД;

- улучшить показатели технологичности высокотемпературного ВОДД такие как: количество технологических операций при сборке ВОПМП; количество деталей, входящих в узел оптической системы; количество подходов при сборке, юстировке, настройке ВОДД; наличие специальной оснастки и точного оборудования;

- разработать технологии изготовления высокотемпературного ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками,

основными элементами которого являются базовые ВОПМП и унифицированные волоконно-оптические кабели;

- провести экспериментальные исследования лабораторного образца высокотемпературного ВОДД отражательного типа.

Область исследования. Задачи, решенные в диссертации, соответствуют областям исследования специальности 05.11.14 - Технология приборостроения: п. 1 - разработка научных основ технологии приборостроения при создании нового поколения высокотемпературных ВОДД на основе ВОПМП, п. 3 - разработка и исследование методов и средств повышения точности, надежности технологических процессов производства высокотемпературных ВОДД на основе ВОПМП.

Объект исследований - волоконно-оптические преобразователи микроперемещений отражательного типа и высокотемпературные ВОДД на их основе.

Предмет исследований - комплексные научно-технические решения, технологические способы, режимы технологических процессов, обеспечивающие создание волоконно-оптических преобразователей микроперемещений, позволяющие в качестве базовой технологически-конструктивной компоненты создавать новые образцы высокотемпературных ВОДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками при создании перспективных изделий РК и АТ.

Методы исследований. При разработке математических и физических моделей ВОДД использовались теоретические положения оптики, аналитической геометрии. При решении задач синтеза и анализа ВОДД использовались положения теории чувствительности, дифференциального и интегрального исчисления, имитационного моделирования, теории надежности. При проведении метрологического анализа использовалась теория статических предельных метрологических моделей линейных измерительных преобразователей. При экспериментальных исследованиях

использовались теория измерений, теория планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.

Достоверность результатов, изложенных в работе, подтверждается непротиворечивостью выводов законам физики, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим моделированием, экспериментальными исследованиями, а также созданием и испытаниями действующих макетных образцов ВОДД.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами.

1 Новые технические и технологические решения высокотемпературных ВОДД основаны на использовании ВОПМП отражательного типа, принцип действия которых заключается в изменении отражательной способности для электромагнитных волн инфракрасного диапазона в области срезанных торцов оптических волокон расположенных вблизи МОЭ (кварцевой мембраны), что обеспечивает улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик ВОДД.

2 Технология позиционирования ПОВ и ООВ в зоне измерения, учитывающая особенности формы поверхностей среза, каждая из которых является частью эллипса, а также требуемое расстояние до мембраны, равное 10... 15 длинам волн оптического излучения, что обеспечивает увеличение мощности сигнала а также снижение требований к технологическому процессу сборки датчика.

3 Технология изготовления высокотемпературного ВОДД отличается тем, что реализована на основе нового базового ВОПМП отражательного типа, представляющего собой конструктивную совокупность МОЭ и узла соединения скошенных торцов ПОВ и ООВ, расположенных относительно друг друга на расстоянии, равном 10... 15 длинам волн оптического излучения инфракрасного источника излучения, что позволило снизить основную погрешность ВОДД в 2...3 раза.

4 Впервые получена функциональная зависимость между выходными и входными сигналами оптической системы высокотемпературного ВОПМП отражательного типа, которая позволила на основе численного моделирования определить конструктивно-технологические параметры оптической системы, обеспечивающие снижение температурной погрешности, повышение чувствительности преобразования оптического сигнала при одновременном повышении технологичности и снижении массогабаритных характеристик ВОДД.

Практическая значимость работы подтверждается следующим:

- разработана технология изготовления высокотемпературных ВОДД, обеспечивающая повышение их технологичности, точности и надежности в жестких условиях эксплуатации;

основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке высокотемпературных ВОДД в диапазонах 0...12,26, 0...29,43 МПа: шифр ВОДД ТЭ-001;

- результаты, полученные в диссертационной работе, позволяют повысить искро-, взрыво-, пожаробезопасность и надежность ВОИИС перспективных образцов РК и АТ.

Практическая значимость исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационных исследований в НТЦ «НАНОТЕХ» ПТУ и ОАО «Контрольприбор» г. Пенза.

Апробация работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ПТУ (г. Пенза, 2008), на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.), на Международных НТК «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» «Шляндинские чтения» (г. Пенза, 2010, 2012 гг.), на Международной НТК

«Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2011 г.), IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, 2009 г.), П-ом, Ш-ем, 1У-ом Российских Форумах «Российским инновациям - Российский капитал» и УП-ой, УШ-ой и 1Х-ой ярмарках бизнес-ангелов и инноваторов (г. Саранск, 2009 г., Ижевск, 2010 г., г. Оренбург, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Волоконно-оптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении» «СВЕТ-2013» (г. Пенза, 2013г.). Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 28 работах, из них 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, 1 патент на изобретение. Без соавторов опубликовано 3 работы. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, библиографического списка, 6 приложений. Основная часть изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 10 таблиц. Список литературы содержит 94 наименования. Приложения к диссертации занимают 20 страниц.

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПРЕДМЕТА ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ состояния вопроса создания и внедрения волоконно-оптических систем и датчиков давления на изделиях ракетно-космической и авиационной техники

Непрерывное усложнение создаваемых летательных аппаратов (ЛА), исключительно высокая насыщенность их специальными техническими системами, системами управления и контроля различных физических параметров, информационно-измерительными комплексами, значительный рост взаимосвязей и взаимодействий этих систем, конструктивных элементов агрегатов и подсистем как внутри ЛА, так и в комплексе с наземными измерительными пунктами, требует увеличения объемов измерения и контроля параметров в различных системах ЛА.

Для реализации этих задач требуется создание и широкой номенклатуры датчиковой аппаратуры с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Значительные отличия технических требований к датчиковой аппаратуре ракетно-космической и авиационной техники (РК и АТ), особенно систем многоразового использования, привели к тому, что, начиная с 80-х годов более 90 % датчиковой аппаратуры было разработано вновь, при этом потребовалось резко изменить традиционные подходы к технологии изготовления датчиковой аппаратуры.

При внешней простоте и миниатюрности датчик - это сложнейшее физическое устройство. На изделиях ракетно-космической и авиационной техники он работает в жесточайших эксплуатационных условиях: в широких диапазонах температур, при больших температурных перепадах, вибрации, линейных ускорениях, акустических шумах, механических и гидравлических ударах и т. п., на датчик возможно воздействие

агрессивных или криогенных сред и т.п. Кроме того, датчик должен иметь механическую прочность выше механической прочности в том месте, где он установлен, поскольку для выявления предельных нагрузок в аномальной ситуации датчик должен жить дольше, чем конструкция. Датчик должен отличаться минимальными массой и электропотреблением, что естественно, так как при тех количествах, в которых используются сегодня датчики на изделиях, не должны ухудшать тактико-технические характеристики изделий.

Основные дестабилизирующие факторы (температура и вибрация) на изделиях РК и АТ в 3...5 раз превышают соответствующие значения на изделиях других отраслей (рисунок 1.1) [63].

р акето -но сители Область н 3500

двигателя | космические аппараты ' ' 125

700

315

авиация

-60

120

ТЕМПЕРАТУРА

морская техника

-150

Область двигателя

1501

10

-253 1200

30

-50

наземные ВВТ

70

градус, С

-60

ВИБРАЦИЯ

30

щ

ни

единиц

Рисунок 1.1- Влияние дестабилизирующих факторов (температуры и вибрации) в различных отраслях

Такие же соотношения характерны и для остальных дестабилизирующих факторов (давление, акустические шумы, термоудары и др.).

Сложность задач, решаемых технологами и проектировщиками для обеспечения работоспособности датчиковой аппаратуры при совместном воздействии всех факторов, можно показать на примере основных дестабилизирующих факторов и • технических требований для ракет-носителей:

- диапазон воздействия температуры от + 700 до минус 150°С;

- вибрация до 150 g с частотой 5 до 25000 Гц (а в области двигателя 1200 g);

- ударные нагрузки до 100 g длительностью (0,5.. .5) мс;

- акустический шум до 140 дБ в диапазоне частот 100... 10000 Гц;

- искро-взрыво-пожаробезопасность в средах «кислород - водород»;

- помехоустойчивость и электромагнитная совместимость;

- широкие диапазоны измерений, например, для давления от единиц мм рт. ст. до сотен МПа;

- многократность применения до 1000 раз;

- вероятность безотказной работы от 0,99 до 0,999 при обеспечении механической надежности до 0,99999 [63].

Контроль давления на борту летательных аппаратов занимает до 50% от общего числа всех измерений. Например, в ракетном двигателе "РД 180" первой ступени ракетного комплекса "Атлас" датчики измерения давления составляют порядка 30 % от общего количества средств измерения параметров двигателя, необходимых для обеспечения безопасности изделий, условий эксплуатации (рисунок 1.2) [61]. Это -медленноменяющееся давление, сопровождаемое пульсацией, быстроменяющееся давление с постоянной составляющей, быстроменяющееся давление без постоянной составляющей, импульсное давление, ударное или взрывное давление (рисунок 1.3).

1 ВОД абсолютного давления 5 Датчик силы

2 ВОД избыточного давления 6 Преобразователь частоты вращения

3 ВОД вибрации 7 Датчик быстропеременных давлений

4 Система измерения перемещений 8 Преобразователь первичный

быстропеременных давлений Рисунок 1.2 - Комплекс измерительных средств, используемых в ракетном двигателе "РД 180" для первой ступени ракетного комплекса "Атлас" [61]

Особо сложными для датчиков давления при эксплуатации являются температурные внешние воздействия. При расположении измерительной аппаратуры на обшивке аэродинамический нагрев достигает 423...573 К (в зависимости от скорости). И при всех указанных выше условиях датчики давления являются средствами измерения с гарантированными точностными характеристиками на протяжении всего срока эксплуатации, который сейчас исчисляется десятками лет.

а - медленноменяющееся давление; б - медленноменяющееся давление, сопровождаемое пульсацией; в - быстроменяющееся давление с постоянной составляющей; г - быстроменяющееся давление без постоянной составляющей; д -импульсное давление; е, ж - ударное или взрывное давление в рабочем диапазоне частот измерения давлений и дестабилизирующих факторов

Рисунок 1.3- Характер изменения давления во времени

В настоящее время «электрические» датчики решают поставленные перед ними задачи. Однако современные информационно-измерительные системы (ИИС) для перспективных изделий РК и АТ выдвигают новые требования перед средствами систем бортовых измерений, в том числе и перед датчиковой аппаратурой. Это - повышение статических и динамических точностных характеристик в условиях все ожесточающихся эксплуатационных воздействий, значительное увеличение срока эксплуатации; традиционное снижение массы, габаритных размеров, электропотребления; обеспечение гарантированного по качеству,

достоверного результата измерений; гарантированное обеспечение искро-взрыво- пожаробезопасности, механической прочности и т. п., безаварийности; расширение спектра возможных для измерений физических процессов и т. п.

Дальнейшее совершенствование изделий РК и АТ требует от технологов и проектировщиков создания датчиковой аппаратуры с использованием новых материалов, физических эффектов и явлений, а также совершенствования приемов конструирования и технологических процессов. Одним из таких направлений следует считать внедрение волоконно-оптических технологий. Все возрастающие требования к уменьшению массы измерительных средств на борту летательных аппаратов, особенно требования к уменьшению «пассивных», но громоздких кабельных сетей, настоятельно требуют внедрения волоконно-оптических информационно измерительных систем ВОИИС для изделий РК и АТ и, соответственно, разработки волоконно-оптических датчиков, в том числе ВОД давления (ВОДД).

В качестве примера рассмотрим систему контроля параметров типового ракетного двигателя, которая является одним из основных элементов космических аппаратов [61]. Развитие систем контроля и управления ракетных двигателей обусловлено разработкой, испытаниями и эксплуатацией двигательных установок многократного использования, что потребовало создания новых систем, на которые возложены функции обработки информации от датчиков, выдачи управляющих команд на исполнительные органы без участия оператора и получения достоверной информации о состоянии систем в условиях испытания, эксплуатации и обслуживания. В состав функциональной системы контроля ракетного двигателя входят автономные подсистемы контроля и управления, разработанные на базе бортовой цифровой управляющей машины (БЦУМ), смонтированной на камере сгорания двигателя (рисунок 1.4) [14].

Рисунок 1.4 - Схема контуров управления ракетным двигателем [14]

В свою очередь, БЦУМ связана с датчиками, которая управляет последовательностью операций работы двигателя на всех режимах, контролирует выполнение операций подготовки двигателя к запуску, его работу при запуске и состояние после выключения.

БЦУМ принимает сигналы установленных датчиков и вырабатывает команды для срабатывания клапанов, сервоклапанов, запальных и других устройств, а также вырабатывает команды для дублирующей системы аварийного останова двигателя.

Безаварийная работа двигателя обеспечивается слежением за наиболее важными его физическими параметрами, сравнением текущих значений параметров с критическими, заложенными в память БЦУМ, и регулированием процессов в двигателях.

Установленные на двигателе датчики обеспечивают информацию о работе двигателя во время испытаний при наземных операциях и в полете.

Качество контроля двигателя существенным образом зависит от регистрируемых параметров давлений. Регистрация давления криогенных и жидких компонентов выполняется с помощью датчиков давления.

Регистрируется давление горячего газа на выходе из ТНА окислителя высокого давления. Для измерения давления в диапазоне (0-300 кгс/см ) горячего газа (до + 500°С) используются по два датчика в каждой точке.

1.2 Искро-взрыво-пожаробезопасность волоконно-оптических

информационно-измерительных систем и систем управления

Современные волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС) должны отвечать требованиям абсолютной искро-взрыво-пожаробезопасности.

Традиционно считается, что ВОИИС абсолютно взрывобезопасны благодаря отсутствию в тракте передачи электрических элементов. Однако это справедливо только для относительно низких уровней мощности

передаваемого оптического излучения. Тем не менее, вопрос обеспечения взрывобезопасности этих измерительных систем в целом имеет некоторые особенности. Это обусловлено наличием в функциональной схеме волоконно-оптического тракта, по которому распространяется оптическое излучение высокой (20 мВт и более) мощности. Если происходит разрыв оптического световода, тогда излучение распространяется во взрывоопасной среде, создается потенциальная угроза воспламенения или взрыва.

Критерии взрывобезопасности волоконного световода по уровню мощности оптического излучения рассмотрены в работе [56]. Используя данные по температуре самовоспламенения некоторых распространенных газов (пропан - 450 °С, водород - 510 °С, метан - 537 °С), можно говорить, что для этих газов максимальным взрывобезопасным уровнем мощности является уровень 50...60 мВт. Для газов с меньшей температурой самовоспламенения, этот уровень меньше и составляет примерно 40 мВт.

Необходимо оценить искро-взрыво-пожаробезопасность ВОИИС на основе разрабатываемых ВОДД. Для этого проведен энергетический расчет входных и выходных параметров волоконно-оптических средств измерений, объединяемых в ВОИИС.

Основной вклад в энергетические потери системы вносят: узлы ввода оптического излучения от источника излучения (ИИ) в оптическое волокно (ОВ) и из ОВ в приемники излучения (ПИ), неоднородности в точках деления-объединения (сварки, склейки) оптической мощности в разветвителях и переключателях; затухание излучения в ОВ в оптическом кабеле, потери на стыках "разъем-разъем" в оптических разъемах; информативные и неинформативные потери оптической мощности в измерительных преобразователях [79].

Для определения входных и выходных параметров в ВОП необходимо знать минимально необходимую вводимую в систему мощность, которая определяется мощностью ИИ, порогом чувствительности ПИ, потерями в узлах соединения источника и приемника излучения с оптическими

волокнами, потерями в самом волокне, соединителях и разветвителях (переключателях) и других элементах оптической схемы (если таковые имеются). При этом на первый план выдвигаются проблемные вопросы выбора элементной базы отдельных структурных единиц ВОИИС.

Очевидно, что максимальные потери мощности излучения происходят в ВОИИС с датчиками отражательного типа ввиду значительных информативных и неинформативных потерь в зоне измерения. Поэтому в качестве примера рассмотрим участок ВОИИС с временным мультиплексированием и датчиками отражательного типа, расчетная схема которой представлена на рисунке 1.5 (таблица 1.1).

Таблица 1.1- Источники потерь в ВОИИС

Элемент Потери Количество Суммарные

(затухание элементов потери

на 1 элемент), в тракте, (затухание),

дБ шт. дБ

Оптический разъем OP 1 10-11 1 г|]=10-11

(ввод излучения от ИИ в

ОВ)

В олоконно-оптический 0,1-0,4 дБ/км 0,1X2jV (км) Лг+ЛЮ+Л^+Л»^

кабель ВОК, в том числе =(0,02-0,04)ЛГ

OBI, ВОК1, ВОК2, ОВ2 при условии, что

(длина одиночного ОВ 100 Л2«Лю«0

м) Л 5 +Л7+Л11 =3-6

Оптические разъемы 1-2 3 Лз = 2(Лг-1)

ОР2, ОРЗ, ОР4 (ввод

излучения от В OKI в ИП и

от ОВ2 в ПИ)

Разветвитель Р (потери на 2 N-\ Л9=(0,5-0,7)х(ЛЧ)

разветвление)

Соединитель С (потери в 0,5-0,7 N-1 г|бАГ= (5-7)ЛГ

точках соединения) (непрерывного

типа)

Измерительный 5-7 N (7-10)//

преобразователь ВОП (с (непрерывного (релейного типа)

учетом потерь на ввод типа)

излучения из зоны 7-10

измерения в ОР2) (релейного

типа)

Сигнал от ИИ до ПИ проходит оптический разъем ОР1, представляющий собой стык "розетка-вилка" (первый узел юстировки), причем в розетке закреплен излучающий торец ИИ, вилкой оконцовано оптическое волокно OBI. Разъем ОР1 вносит потери г|ь оптическое волокно OBI -Г)2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бростилов, Сергей Александрович, 2013 год

Библиографический список

1 Авдошин Е.С., Авдошин Д.Е. Волоконно-оптические измерительные датчики и приборы // Зарубежная радиоэлектроника. - 1991.- № 2.- С. 35-55.

2 Азимов Р.К., Шипулин Ю.Г., Оптоэлектронные преобразователи больших перемещений на основе полых световодов - М.: Энергоатомиз-дат,1987. - 56 е.: ил. - (Б-ка по автоматике; Вып. 664).

3 Аксененко М.Д., Бараночников M.J1. Микроэлектронные фотоприемные устройства. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 208 с.

4 Андреева J1.E. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение,

1981.

5 Ахмадиев А.Т., Белоцерковский Э.Н., Патлах A.J1. Современное состояние и перспективы развития волоконно-оптических преобразователей уровня // Оптико-механическая промышленность. - 1986. - № 6. - С. 51-55.

7 Бердичев Б.Е. и др. Состояние и перспективы развития оптоволоконных измерительных систем // Зарубежная электронная техника. - 1987. - № 3. - С. 3-68.

8 Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. - М.: Машиностроение, 1973. - 392 с.

9 Белоцерковский Э.Н. Многомодовые поверхностно-нерегулярные световоды и датчики физических и механических величин на их основе // Оптико-механическая промышленность. - 1987.

10 Белоцерковский Э.Н., Патлах A.JI. Волоконно-оптические первичные преобразователи информации // Приборы и системы управления. - 1988.

-№5.-с. 20-22.

11 Бростилов, С.А. Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта / С.А. Бростилов, Т.П. Мурашкина, Т.Ю. Бростилова// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Пенза: Изд-во ПТУ 2010 г., №4. - с. 106-117.

12 Бростилов, С.А., Особенности конструктивного исполнения волоконно-оптического преобразователя микроперемещений/С. А. Бростилов //Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2011. - Спец. Выпуск № 2. - с.27-32.

13 Бростилов, С.А. Распространение света в искривленном многомодо-вом оптическом волноводе / С.А. Бростилов, С.И. Торгашин, Н.К. Юрков// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Пенза: Изд-во ПТУ 2012 г., №1. - с.141-150.

14 Бростилов, С.А. Перспективы использования волоконно-оптических датчиков давления для систем контроля и испытаний космической и авиационной техники/Т.И. Мурашкина,А.Г. Пивкин, С.А. Брости-лов//Математическое моделирование в машинно- и приборострое-нии:сб.научн. тр. Спецвыпуск №10, Пенза: Изд-во ПТУ 2013 г., с.55-66

15 Бростилов С.А., Технологические основы проектирования волоконно-оптического датчика ускорения/ С.А. Бростилов, A.C. Щевелев, О.В. Юрова, Т.И. Мурашкина, A.B. Архипов // Промышленные АСУ и контроллеры - №8, 2011, с.39-43.

16 Бростилов С.А., Измерительная установка для исследований дифференциальных волоконно-оптических преобразователей углового перемещения / С.А. Бростилов, Т.И. Мурашкина, О.В. Юрова, A.C. Щевелев// Промышленные АСУ и контроллеры - №6, 2011, с. 58-64.

17 Пат. 2474798 РФ, МПК6 G01L 11/02. Волоконно-оптический датчик давления/ Мурашкина Т.И., Бростилов С.А., Пивкин А.Г., Серебряков Д.И., Бростилова Т.Ю., Бадеева Е.А./; опубл. 10.02.2013. Бюл. № 4.

18 Бростилов, С.А. Преобразователь сигналов для волоконно-оптических датчиков / Д.И. Серебряков, Ю.Н. Макаров, В.В. Редько, С.А. Бростилов// Надежность и качество: Тр. Междунар. симп - Пенза: Изд-во ПТУ, 2009.-Т. 1 .-С.453-456.

19 Бростилов, С.А. Модернизация ВОДД на основе туннельного эффекта/ С.А. Бростилов, Т.И. Мурашкина, А.Г. Пивкин, О.С. Граевский// На-

дежность и качество: Тр. Междунар. симп - Пенза: Изд-во ПТУ, 2009.-Т.1-С.395-398

20 Бростилов, С.А. Универсальные конструктивно-технологические решения волоконно-оптического кабеля для датчиков с открытым оптическим каналом/ С.А. Бростилов, Т.И.Мурашкина, Т.Ю. Бростилова, A.C. Ще-велев// Сборник докладов МНТК «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» «Шляндинские чтения-2010».-Пенза: Изд-во ПТУ 2010 г., с.200-202.

21 Бростилов, С.А. Технологический процесс сборки измерительного преобразователя датчика давления на основе оптического туннельного эф-фекта/С.А. Бростилов, Т.И.Мурашкина, Т.Ю. Бростилова, Е.А. Бадеева// Сборник докладов МНТК «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» «Шляндинские чтения-2010» .- Пенза: Изд-во ПТУ 2010 г, с. 167-170.

22 Бростилов, С.А. Метрологический анализ ВОДД на основе туннельного эффекта/ С.А. Бростилов, Т.Ю. Бростилова, Т.И. Мурашкина, О.В. Юрова //Сборник докладов МНТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах - 2011».- Пенза: Изд-во ПТУ, 2011 -Т.2.-С.27-31.

23 Бростилов, С.А. Технологический процесс сборки волоконно-оптического датчика давления на основе оптического туннельного эффекта/ С.А. Бростилов, Т.Ю. Бростилова, О.В. Юрова // Сборник докладов МНТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах - 2011».-Пенза: Изд-во ПТУ, 2011.-Т.2.-С.32-35.

24 Бростилов, С.А. Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта/ Е.А. Бадеева, С.А. Бростилов, О.В. Юрова // М. Современная электроника. - 2011 г. - №2, с.26-27.

25 Бростилов, С.А. Метрологическая модель ВОДД с компенсационным каналом на основе туннельного эффекта/ С.А. Бростилов / Межвузовский сборник научных трудов «Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС». Пенза: Изд-во ПТУ, 2011 г. - Вып. 16. - с. 194-202.

26 Бростилов, С.А. Волоконно-оптические кабели для волоконно-оптических датчиков/ Бростилов С.А., Мурашкина Т.И., Бростилова Т.Ю., Удалов А.Ю., Архипов A.B.// Надежность и качество: Тр. Междунар. симп-Пенза: Изд-во ПТУ, 2011 -Т.2 - С. 108-111.

27 Бростилов, С.А. Математическое моделирование процессов отражения и распространения электромагнитных волн в тонкой градиентной диэлектрической пластине/С.А. Бростилов, Е.В. Кучумов//Надежность и качество: Тр. Междунар. симп - Пенза: Изд-во ПТУ, 2011.-Т. 1- С. 281-283.

28 Бростилов, С.А. Дифференциальный волоконно-оптический датчик виброускорения. Конструкция и технология/ С.А. Бростилов, О.В. Юрова, A.C. Щевелев // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп.- Пенза: Изд-во ПТУ, 2011.-Т. 1.- С.235-237.

29 Бростилов, С.А. Технология дифференциального волоконно-оптического датчика виброускорени/ A.C. Щевелев, О.В. Юрова, С.А. Бростилов, Т.И. Мурашкина // Датчики и системы: сб. докл. XXX науч.-техн. конф. молодых специалистов (30-31 марта 2011 г.) / под ред. А. В. Блинова. -Пенза: ОАО «НИИФИ», 2011. - с. 61-67.

30 Бростилов, С.А. Вывод функции преобразования дифференциального ВОП угловых перемещений/ О. В. Юрова, С. А. Бростилов, А. С. Щевелев, Т. И. Мурашкина //Датчики и системы: сб. докл. XXX науч.-техн. конф. молодых специалистов/ под ред. акад. Академии проблем качества РФ А. В. Блинова. - Пенза: ОАО «НИИФИ», 2011. - с. 45-51.

31 Бростилов, С.А. Анализ эффектов нарушений полного внутреннего отражения в оптических волноводах с целью применения их в измерительном процессе/ С.А. Бростилов, Д.И. Серебряков, Е.В. Кучумов, Т.И. Мураш-кина//Методика, техника и аппаратура внутренних и внешних испытаний: сб. трудов Всероссийской научной школы ИСПЫТАНИЯ -2011 - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2011- с. 24-29.

32 Бростилов, С.А. Методика выполнения испытаний по определению функции преобразования и основной погрешности ВОДД на основе туннельного эффекта/ С.А. Бростилов, Т.Ю. Бростилова, Т.И. Мурашкина//Методика, техника и аппаратура внутренних и внешних испытаний: сб. трудов Всероссийской научной школы ИСПЫТАНИЯ -2011 - Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2011.-с. 75-77.

33 Бростилов, С.А. Методика выполнения температурных испытаний ВОДД на основе туннельного эффекта/ Т.Ю. Бростилова, О.В. Юрова, С.А. Бростилов, Т.И.Мурашкина, A.B. Бадеев // Методика, техника и аппаратура внутренних и внешних испытаний: сб. трудов Всероссийской научной школы ИСПЫТАНИЯ -2011 - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2011.- с.86-89.

34 Бростилов, С.А. Методика расчета конструктивных параметров оптической системы разрабатываемого волоконно-оптического преобразователя давления/ Т.Ю. Бростилова, С.А. Бростилов // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» 2012, Том 2. Пенза: Изд-во ПГУ 2012 г., с.43-44.

35 Бростилов, С.А. Анализ влияния .на метрологические характеристики волоконно-оптического датчика давления распределения светового потока в зоне преобразования оптических сигналов/ Т.Ю. Бростилова, С.А. Бростилов, Т.И. Мурашкина // Труды межвузовского сборника Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС 2012. Пенза: Изд-во ПГУ 2012 г., с.76-84.

36 Бростилов, С.А. Унифицированный промежуточный преобразователь для дифференциальных волоконно-оптических датчиков/ Т.Ю. Бростилова, С.А. Бростилов, Т.И. Мурашкина // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» 2012, Том 2. Пенза: Изд-во ПГУ 2012 г., с.42-43.

37 Бростилов, С.А. К вопросу о создании и внедрении волоконно-оптических систем и датчиков давления на изделиях ракетно-космической и авиационной техники/ Т.Ю. Бростилова, С.А. Бростилов // Труды межвузов-

ского сборника Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС 2012. Пенза: Изд-во ПТУ 2012 г., с.23-28.

38 Бростилов, С.А. Варианты исполнения волоконно-оптических преобразователей микроперемещений отражательного типа/ С.А. Бростилов,// Труды международного симпозиума «Надежность и качество» 2013, Том 2. Пенза: Изд-во ПТУ 2013 г., с. 13.

39 Букреев И.Н. и др. Волоконно-оптические датчики // Обзоры по электронной технике. Сер. 5. Радиодетали и радиокомпоненты / ЦНИИ "Электроника". - 1984. - Вып. 1 (1027).

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

41 Ваганов В.И. Интегральные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1983.- 136 с.

42 Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Оптика световодов. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1977. - 320 с.

43 Волоконная оптика и приборостроение / М.М. Бутусов, С.Г. Галкин, С.П. Орбинский, Б.П. Пал; Под общ. ред. М.М. Бутусова. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987. - 328 с.

44 Волоконно-оптические датчики / Окоси Т., Окамато К., Оцу М. и др.; Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1990.-256 с.

45 Волчихин В.И., Мурашкина Т.И. Проблемы создания волоконно-оптических датчиков // Датчики и системы. Измерения, контроль, автоматизация- 2001.- № 7. - С.54-58.

46 Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. - М.: Физматгиз, 1958. - 350 с.

47 Греченский Д.А., Патлах А.Л. Современное состояние и перспективы развития волоконно-оптических преобразователей механических величин// Оптико-механическая промышленность. - 1983. - № 4. - С. 57-59.

48 Гридчин В.А., Драгунов В.П. Физика микросхем: Учеб. пособие. В 2ч. 4.1 - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 416 с.

49 Гольдфарб И.С. Характеристики передачи оптических кабелей при воздействии механических нагрузок // Электросвязь. - 1980. - № 12. - С. 1619.

50 ГОСТ Р В 50899-96. Сети сбора данных волоконно-оптические на основе волоконно-оптических датчиков. Общие требования. - М.: Изд-во стандартов, 1997. - ДСП. -117 с.

51 Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 224 с.

52 Гроднев И.И., Ларин Ю.Т., Теумин И.И. Оптические кабели: конструкции, характеристики, производство и применение. - М.: Энергоатомиздат, 1985.- 176 с.

53 Дианов Е.М. и др. Радиационно-оптические свойства волоконных световодов на основе кварцевого стекла // Квантовая электроника. - 1983. -№ 3. - С. 473 - 496.

54Дмитриев A.B. Волоконно-оптические преобразователи перемещений и параметров движения // Зарубежная радиоэлектроника. - 1985. - № 5. -С. 64-70.

55 Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 112с.

56 Задворнов С.А., Соколовский A.A. О пожаровзрывобезопасности волоконно-оптических гибридных измерительных систем// Датчики и системы. - 2007.-№3. - С. 11-14.

57 Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 128 с. - (Б-ка по автоматике. Вып. 670).

58 Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин A.M., Полупроводниковые опто-электронные приборы: Справочник. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1997. - 227 с.

59 Интегральная оптика / Под ред. Т. Тамира.- пер. с англ. - М.: Мир,

1978.

60 Кабардин О.Ф. Физика: Справ, материалы: Учеб. пособие для учащихся. - 3-е изд. - М.: Просвещение, 1991. - 303 с.

61 Комплекс измерительных средств, используемых в ракетном двигателе "РД 180" для первой ступени ракетного комплекса "Атлас/ ОАО "НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко"

62 Кравцов, Ю.А. Геометрическая оптика неоднородных сред / Ю.А. Кравцов, Ю.И. Орлов. - М.: Наука, 1980. - 304 с.

63 Коптев, Ю. Н. Датчиковая аппаратура для ракетно-космической техники/ Ю. Н. Коптев, А. В. Гориш / Радиотехника. - 1995. - № 10. - С. 5-6.

64Круглов В.В., Годнев А.Г. Волоконно-оптический датчик давления // Приборы и системы управления. - 1993.- № 5.

65 Мурашкина Т.И. К вопросу применения терминов при проектировании волоконно-оптических средств измерения // Элементы и приборы систем измерения и управления автоматизированных производств: Межвуз. сб. науч. тр., Вып. 4 - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - С. 69-74.

66 Мурашкина Т.И. Особенности построения амплитудных волоконно-оптических датчиков // Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. Всероссийск. науч.-техн. конф. 24-26 ноября 1998. - Москва, 1998. - С. 185-186.

67 Мурашкина Т.И., Волчихин В.И. Амплитудные волоконно-оптические датчики автономных систем управления: Монография. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - 173 с.

68 Мурашкина Т.И., Волчихин В.И. Стандартизация параметров амплитудных волоконно-оптических датчиков для волоконно-оптических сетей сбора данных // Датчики и системы. - 2001.- № 6 . -с. 16-18.

69 Никольский, В.В. Электродинамика и распространение радиоволн / В.В. Никольский, Т.И. Никольская - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1989.-544 с.

70 Основы волоконно-оптической связи: Пер. с англ. / Под ред. Е.М. Дианова. - М.: Сов. радио, 1980. - 232 с.

71 Пароль Н. В., Кайдалов С. А. Фоточувствительные приборы и их применение: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991. - 112 е.- (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1168).

72 Патлах A.JI. Влияние изгибов на параметры волоконных световодов// Светотехника. - 1986. - № 4. - С. 8-10.

73 Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник / В.И. Иванов, А.И. Аксенов, A.M. Юмин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 448 с.

74 Попов С.Н., Парасына A.C., Чагулов B.C. Влияние механических нагрузок на светопропускание волоконных световодов // Квантовая электроника. - 1979.-№3.

75 Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е.П. Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979.-480 с.

76 Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. - М.: Машиностроение, 2007. 400 с.

77 Рождественский Ю.В., Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Волоконная оптика в авиационной и ракетной технике. - М.: Машиностроение, 1977. -168 с.

78 Снайдер, А. Теория оптических волноводов / А. Снайдер, Дж. Лав. -М.: Радио и связь, 1987. - 656 с.

79 Сайгел X. Потери в оптических волокнах, вызываемые сильными полями ионизирующего излучения. - ТИИЭР. Тематический выпуск. Волоконно-оптическая связь, 1980. - т. 68. - вып. 10 - С. 81-85.

80 Световодные датчики / Б.А. Красюк, О.Г. Семенов, А.Г. Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 256 с.

81 Теумин И.И., Попов С.Н., Мишнаевский П.А., Оввян П.П. Влияние изгибов и повивов на затухание многомодового волновода. - ЖТФ, 1980. - № 7.

82 Теумин И.И. Дополнительные потери в оптическом кабеле. - Электросвязь, 1980. - № 12. - С. 20-23.

83 Убайдуллаев P.P. Волоконно-оптические сети. - М.: Эко-тренз, 1998.

- 267 с.

84 Фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения и фотоприемные устройства: Справ, для гражданского применения / Под ред. Ушаковой. - М.: НТЦ "Информатика", 1991. - 100 с.

85 Шлыков Г.П. Статические предельные метрологические модели линейных измерительных преобразователей. Серия "Метрология", Вып.1:- Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2003.-24 с.

86 Эйхенвальд, А.А. Избранные работы / Под ред. А.Б. Млодзеевского.

- М.: Гос.изд.технико-теорет.литературы, 1956. - 267 с.

87 Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Советское радио, 1980.-392с.

88 Comparison of U.S. and Japanese efforts// Transactions of the Institute of Measurement and Control. - 2000, p.p. 112-118.

89 Dakin J. P. Principles and applications of optical fibre sensors // Sys. Technol. - 1984. - № 38. - P.P. 41-47.

90 Optical sensors technologies // Transactions of the Institute of Measurement and Control. - 2000, p.p. 3-17.

91 Zhang F.H., Lewis E. and Scully P.J. An optical fibre sensor for concentration measurement in water systems based on inter- fibre light coupling between polymer optical fibres // Transactions of the Institute of Measurement and Control. -2000, p.p. 413-430.

92 Winkler, S. Loss calculations in bent multimode optical waveguides / S. Winkler, J.D. Love, A.K. Ghatak // Optical and Quantum Electronics - 1979. - 11 -P.173-183.

93 Патент №2004124974/28, 16.08.2004. Волоконно-оптический датчик давления. Государственное образовательное учреждение высшего профес-

сионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

94 Патент №2253850 РФ, MTIK6G01 L 11/02, 19/04. Волоко-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта/ Е.А.Бадеева, A.B. Гориш, Т.И.Мурашкина, А.Г. Пивкин; опубл. 10.06.2005. Бюл. № 16