Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для информационно-измерительных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Бадеева, Елена Александровна

• Бадеева, Елена Александровна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бадеева, Елена Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.

1.1 Современное состояние и перспективы развития волоконно-оптического приборостроения.

1.2 Новая классификация амплитудных волоконно-оптических преобразователей.

1.3 Параметры оптического канала волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для информационно-измерительных систем»

Радикальным шагом переоснащения летательных аппаратов новой более точной, надежной, малогабаритной, помехозащищенной датчиковой аппаратурой является внедрение волоконно-оптических датчиков (ВОД). Специалисты считают, что в ближайшие 10.-20 лет ВОД заменят во многих отраслях традиционные датчики и, в первую очередь, на летательных аппаратах.

ВОД потенциально нечувствительны к внешним электромагнитным полям, имеют малые габариты и массу, простую конструкцию, отличаются высокой надежностью, стойкостью к повышенным температурам, механическим ударам, вибрациям и др., потребляют малое количество энергии. Отсутствие источника электрической мощности в зоне измерения и замена ее световой энергией с уровнем не выше 1 мВт практически гарантирует безопасную работу ВОД в потенциально пожаро- и взрывоопасных условиях, например, при измерении давления в камерах сгорания реактивных двигателей. Применение ВОД в этом случае значительно снижает уровень вибрационных нагрузок на электронную схему средства измерения, так как с помощью волоконно-оптического кабеля ее можно удалить на значительное расстояние от источника вибрации, каковым является реактивный двигатель, и разместить в амортизированном корпусе.

Основное преимущество ВОД перед электрическими, обусловлено, прежде всего, их естественной сопрягаемостью с волоконно-оптическими средствами передачи информации и лучшими возможностями объединения их в волоконно-оптические сети сбора данных (ВОССД).

В свою очередь, внедрение ВОССД необходимо для решения задачи уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту космических аппаратов и ракет-носителей.

Но работы по созданию отечественных ВОД продвигаются очень медленно, серийно изготавливаемые ВОД для изделий ракетно-космической техники (РКТ) практически отсутствуют. Существующие датчики чаще всего рассчитаны на работу в лабораторных условиях и неработоспособны при воздействии жестких внешних влияющих факторов.

Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы их разработок являются сдерживающим фактором в создании и внедрении ВОССД.

Контроль давления на борту летательных аппаратов занимает до 50% от общего числа всех измерений, поэтому создание ВОД давления (ВОДД) для информационно-измерительных систем (ИИС) изделий РКТ с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающими требованиям РКТ, является актуальной задачей. Решению этой задачи автор посвятила данную диссертационную работу.

Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных ученых и зарубежных авторов: В.И. Бусурина, М.М. Бутусова, А.В.Гориша, В.М. Гречишникова, В.Г. Жилина, Е.А. Зака, Н.Е. Конюхова, Я.В. Малкова, Т.И. Мурашкиной, А.Л. Патлаха, В.Т. Потапова, Н.П. Удалова й др.

В то же время в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования ВОДД для изделий, эксплуатируемых в жестких условиях ракетно-космической техники, соответственно не рассматриваются конструктивно-технологические особенности, и не дается оценка их метрологических и эксплуатационных характеристик в данных условиях.

На основании исследований возможных принципов преобразования измерительной информации в изменение параметров оптического сигнала определено, что необходимо сконцентрировать усилия на разработке простых, надежных и универсальных с точки зрения конструктивных и схемных решений ВОДД, принцип действия которых основан на модуляции под действием измеряемой физической величины интенсивности светового потока. Амплитудный принцип модуляции обеспечивает наиболее простое мультиплексирование сигналов в ВОССД. Большинство схем ампли тудной модуляции не требует когерентных источников излучения, ВОК может быть изготовлен из дешевых многомодовых оптических волокон (ОВ).

Основным недостатком, ограничивающим использование амплитудных ВОДД является то, что на точность измерения существенное влияние оказывают внешние влияющие факторы, например: температура, механические факторы. В то же время использование простых компенсационных и дифференциальных схем, а также возможность проведения многопараметрических измерений за счет применения большого количества простых датчиков представляют возможность повысить точность измерений с помощью амплитудных ВОДД, что определяет целесообразность их приме> нения в перспективных ИИС.

ВОДД отражательного типа составляют самую обширную группу среди амплитудных ВОДД, что объясняется простотой конструктивного исполнения, совершенной и простой технологией изготовления отражающих поверхностей. Наибольшее распространение получили зеркальные отражающие поверхности, не вносящие заметных неинформативных потерь светового потока в процессе измерения, если преобразования светового потока происходят в гермозоне (гермозона обеспечивает отсутствие капелек влаги на зеркале при изменении температуры), каковыми в большинстве своем являются внутренние полости датчиков давления.

Существенным недостатком известных технических решений ВОДД отражательного типа является низкая чувствительность преобразования оптического сигнала, обусловленная большими потерями при расхождении светового потока в пределах апертурного угла оптического волокна.

Таким образом, при проектировании амплитудных ВОДД на первый план выступают вопросы, связанные с распределением плотности мощности по сечению пучка света, несущего регистрируемую информацию, характер изменения структуры излучения в зоне измерения.

Из-за сложности математической формализации до настоящего времени не уделялось внимание распределению яркости на выходе оптических волокон и в зоне измерения. Визуальная оценка распределения изображения в виде цветовой или квазитрехмерной видеограммы позволяет только определить в каком направлении необходимо проводить анализ и не позволяет обосновать оптимальное месторасположение в зоне измерений управляющих устройств и оптических волокон. Поэтому необходимо определить, как распределен в разрыве волоконно-оптического канала поток излучения.

Цель и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является научное обоснование, разработка и исследование новых волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа для информационно-измерительных систем с метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающими требованиям ракетно-космической техники.

Эта цель достигается решением следующих задач:

- разработкой структурных, математических, метрологических моделей и алгоритмов преобразования сигналов волоконно-оптических преобразователей давления (ВОПД) и ВОДД отражательного типа;

- разработкой алгоритма преобразования светового потока в зоне измерения, обеспечивающего необходимую пространственную структуру пучка, максимальную глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала, простоту юстировки элементов оптической системы;

- теоретическим обоснованием новых технических решений физической реализации волоконно-оптических преобразователей давления,, позволяющих при незначительной модификации конструктивного исполнения на их основе создать гамму ВОДД для измерения давления на разные диапазоны измерения, в разных условиях применения, на разных объектах;

- развитием компенсационного и дифференциального способов повышения точности измерений ВОДД на основе компенсационного и дифференциального управления световым потоком в оптическом канале;

- установлением аналитической зависимости между выходным и входным сигналами компенсационного ВОДД отражательного типа;

- проведением теоретического анализа метрологических и эксплуатационных возможностей ВОДД отражательного типа, применяемых в условиях ракетно-космической техники;

- проведением экспериментальных исследований и анализом технических возможностей экспериментальных образцов ВОДД отражательного типа.

Предмет исследований - волоконно-оптические преобразователи и датчики давления с открытым оптическим каналом отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала под действием измеряемого давления, для информационно-измерительных систем перспективных образцов ракетно-космической техники и народного хозяйства.

Методы исследований

При разработке математических и физических моделей волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД использовались основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, применялись методы математической физики, теории упругости, прикладной механики.

При решении задач по синтезу и анализу волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД использовались положения теории чувствительности, погрешностей, гармонического анализа, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии, методы численного анализа, имитационное и статистическое моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обра ботка полученных результатов.

Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями лабораторных макетов и реальных образцов ВОД давления.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1 Разработаны структурные, математические, метрологические модели и алгоритмы преобразования сигналов амплитудных волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД с открытым оптическим каналом.

2 Разработаны алгоритмы целенаправленного управления поведением пространственной модуляционной функции излучения в зоне восприяти: информации, обеспечивающие требуемые энергетические соотношения и рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерения оптического канала.

3 Разработан комплекс базовых функций преобразования ВОПД отражательного типа с учетом функции, влияния распределения светового потока в пространстве зоны измерения, анализ которых показал, что, изменяя целесообразным образом конструктивные параметры волоконно-оптических преобразователей давления, можно добиться повышения чувствительности преобразования, требуемых метрологических характеристик.

4 Разработаны и теоретически обоснованы новые и усовершенствованные способы улучшения метрологических характеристик ВОДД: чувствительности преобразования, глубины модуляции оптического сигнала, повышения точности измерения, в частности:

- способ взаимной компенсации неинформативных изменений параметров оптического канала ВОДД при воздействии внешних влияющих факторов (ВВФ) за счет использования оптического компенсационного канала;

- способ, основанный на поддержании постоянным значения расстояния между торцом волоконно-оптического кабеля (ВОК) и отражающей поверхностью при введении в конструкцию элементов, изготовленных из материалов с разными температурными коэффициентами линейного расширения;

- способ взаимной компенсации изменения мощности источника излучения и длины оптических волокон, закрепленных на температурозависи-мом элементе, при изменении температуры окружающей среды;

- способ, основанный на формировании с помощью оптической системы параллельного хода лучей между рабочим торцом волоконно-оптического кабеля и отражающей поверхностью.

5 Разработана методика определения и расчета основных параметров волоконно-оптических преобразователей давления и ВОДД отражательного типа.

6 Предложена методика оценивания погрешностей амплитудных ВОДД, в которых волоконно-оптический кабель рассматривается как объект метрологической модели, влияющий на большинство метрологических характеристик ВОДД.

7 На основе проведенных исследований разработаны новые технические решения амплитудных ВОДД, обеспечивающие требуемые метрологические характеристики и надежное функционирование ВОДД в условиях эксплуатации, характерных объектам ракетно-космической техники.

Практическая значимость работы

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПТУ) на кафедре "Приборостроение", и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и внедрения их в информационно-измерительных системах на изделиях ракетно-космической техники.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к их промышленному проектированию, производству и внедрению.

Научная и практическая значимость исследований подтверждаете!, тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, договора № 4 (546Н) от 06.07.99 г. (НИР «Сфера») между ПТУ и НИКИРЭТ (ГУП СНПО «Элерон») г. Заречный Пензенской обл., НИР «Автоматика-1», выполняемой Федеральным ядерным центром ВНИИТФ г. Снежинск Челябинской обл. по гособоронзаказу, договора №4/8 от 05.02.03 (НИР «Волоконно-оптические датчики давления») между ОАО «НИИВТ» г. Пенза и ПТУ, договора №275 от 01.02.04 (НИР «У стройства сбора и обработки данных в ИИС») между ЗАО «НИИФИ и ВТ» г. Пенза и ПТУ.

Диссертационные исследования выполнялись и реализовывались в ПТУ при финансовой поддержке НИР аспирантов ВУЗов в форме гранта Министерства Образования России (приказ Минобразования РФ от 12.05.2003 г.) шифр А03-3.20-403 «Исследование процесса распределения светового потока в пространстве ВОП с открытым оптическим каналом».

Реализация результатов работы

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании ВОДД отражательного типа для измерения избыточного давления в диапазонах 0.5, 0.10, 0.15, 0.28 кгс/см .

Разработаны макетные образцы волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа: шифр ВОДД 001 (безлинзовый вариант), ВОДД 002 (линзовый вариант).

Элементы теории проектирования, материалы по расчету ВОДД отражательного типа использованы в НИР «Сфера», «Автоматика-1», НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС», НИР «Волоконно-оптические датчики давления», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы», читаемой студентам специальности 200100 "Приборостроение" в ПТУ.

Апробация работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам по разделу «Авиация, авиастроение и воздушный трансцорт» (г. Казань, 1998 г.), IV Международной научно-технической конференции (НТК) «Точность технологических и транспортных систем» (г. Пенза, 1998 г.), Всероссийской НТК «Состояние и проблемы технических измерений» (г. Москва, 1998 г.), Международной НТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (г. Пенза, 1999, 2002 г.г.), международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза

2003, 2005 г.г.), на научно-техническом совещании Федерального космического агентства.

Публикации'

По теме диссертации опубликовано 26 работ, из них 1 монография, 20 статей в центральных (в том числе международных) изданиях и межвузовских сборниках, 1 учебное пособие, 1 патент и 3 заявки на изобретение. Без соавторов опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, 7 приложений. Основная часть изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 115 наименований. Приложения к диссертации занимают 60 страниц.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Бадеева, Елена Александровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

01. а. г ооч & №2-01/023 по диссертационной работе Бадеевой Е.А.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рассмотрев диссертационную работу Бадеевой Е.А., отмечаем, что в работе приведены: структурные, математические и метрологические модели амплитудных волоконно-оптических преобразователей давления (ВОПД) и волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД) с открытым оптическим каналом; комплекс базовых функций преобразования ВОПД отражательного типа с учетом распределения светового потока в зоне измерения, анализ которых показал, что можно добиться повышения чувствительности преобразователя и повышения метрологических характеристик путем оптимизации конструктивных параметров ВОДД; методика определения и расчета основных параметров ВОПД и ВОДД отражательного типа; методика оценки погрешностей амплитудных ВОДД, в которых волоконно-оптический канал рассматривается как объект метрологической модели, влияющий на большинство метрологических характеристик ВОДД.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о возможности разработки на достигнутом научно-техническом уровне ВОДД отражательного типа для измерительно-информационных систем ракетно-космической техники.

Целесообразно рассмотреть возможность использования результатов диссертационной работы Бадеевой Е.А. при проведении НИОКР, выполняемых по гособоронзаказу с Росатомом РФ, в части разработки ВОДД.

Начальник отдела

Начальник лаборатории

Китаев 1 28.10.04 54621

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бадеева, Елена Александровна, 2005 год

1. Контроль неразрушаюш;ий. Классификация видов и методов. М.: Изд-во стандартов, 1980. 17 с.