Введение к работе
Актуальность работы. Создание и внедрение на отечественных инженерно-технических объектах (ИТО) ракетно-космической и авиационной техники (РК и AT) волоконно-оптических информационно-измерительных систем (ВОИИС) предполагают разработку определенной компонентной базы и, в первую очередь, волоконно-оптических датчиков (ВОД) различных физических величин.
Проблемами создания ВОД занимались как зарубежные, так и отечественные ученые: В. Д. Бурков, В. И. Бусурин, М. М. Бутусов, А. В. Гориш. В. М. Гречишников, В. Г. Жилин, Е. А. Зак, Н. Е. Конюхов, Я. В. Малков, Т. И. Мурашкина, А. Л. Патлах, В. Т. Потапов, Н. П. Удалов и др. В то же время в известной научно-технической литературе недостаточно отражены технологические особенности проектирования и изготовления ВОД для ИТО, эксплуатируемых в специальных условиях РК и AT.
Для достижения требуемых метрологических и эксплуатационных характеристик ВОД на первый план выступают технологические вопросы изготовления оптических систем их измерительных преобразователей. До настоящего времени не решены технологические вопросы, обеспечивающие эффективные процессы юстировки, настройки, регулировки, сборки оптической системы волоконно-оптических преобразователей линейных (ВОПЛП) и угловых перемещений (ВОПУП), являющихся основными базовыми элементами ВОД различных физических величин. Это отражается на технических характеристиках и себестоимости ВОД.
Особенности проектирования надежных и высокоточных ВОД для ИТО РК и AT требуют исключения влияния на результат измерения изгибов оптических волокон, которое возможно достичь применением дифференциальных схем преобразования оптических сигналов, несущих информацию об измеряемой физической величине. Данное преобразование целесообразно проводить с оптическими сигналами непосредственно в зоне восприятия измеряемой информации, что является новым технологическим решением. Для этого необходимо разрабатывать новые адекватные конструктивно-технологические решения ВОПЛП и ВОПУП.
Наибольшее распространение получили ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, как наиболее простые в изготовлении. Для достижения высокой точности и надежности ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа необходимы современные технологические процессы и процедуры юстировки, настройки, регулировки их оптических систем, обеспечивающие формирование оптимальной структуры светового потока, несущего измерительную информацию о физических величинах в различных точках ИТО.
Создание новых технологических процессов изготовления ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности светового потока в оптической системе, на основе развития теории дифференциального преобразования оптических сигналов в зоне восприятия измерительной информации, обеспечивающих существенное улучшение их метрологических и эксплуатационных характеристик, представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Цель исследований. Целью диссертационной работы является совершенствование технологии изготовления дифференциальных волоконно-оптических преобразователей линейных и угловых перемещений отражательного типа для волоконно-
оптических информационно-измерительных систем инженерно-технических объектов ракетно-космической и авиационной техники.
Научная задача, решенная в диссертации, - обоснование и разработка новых технологических решений, обеспечивающих улучшение технологии изготовления ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности светового потока под действием измеряемой физической величины модулирующими элементами с отражающими поверхностями. Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
разработка методики математического моделирования базовых конструктивных и технологических решений ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающей повышение точностных характеристик ВОД;
разработка базовых унифицированных конструктивно-технологических решений ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, волоконно-оптического кабеля (ВОК), позволяющих конструировать новые образцы ВОД отражательного типа различных физических величин;
разработка структурных, математических и метрологических моделей дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, позволяющих определить источники погрешностей и способы их уменьшения;
модернизация способа уменьшения дополнительной погрешности ВОД отражательного типа, основанного на дифференциальном преобразовании светового потока в оптическом канале ВОПЛП и ВОПУП за счет применения модулирующих отражательных элементов, реализующих дифференциальный алгоритм преобразования оптических сигналов, новых схем компоновки и позиционирования оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле и взаимного расположения элементов оптической системы;
разработка новых конструктивно-технологических решений дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающих максимальные глубину модуляции и чувствительность преобразования оптического сигнала, простоту юстировки элементов оптической системы;
разработка методики определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа;
- разработка технологии позиционирования элементов, а также технологических процедур юстировки и регулировки оптических систем дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, позволяющей существенно уменьшить аддитивную составляющую погрешности ВОД.
Методы исследований. При проведении исследований использовались методы математического анализа, линейной алгебры и аналитической геометрии, геометрической оптики, интегрального и дифференциального исчисления, математической физики, решения оптимизационных задач, численного анализа, имитационного моделирования на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях применялись положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов. Достоверность полученных теоретических результатов и выводов подтверждалась экспериментальными исследованиями созданных образцов ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа.
На защиту выносятся:
-
Научно обоснованные базовые технологические и конструктивные решения оптических систем ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, отличающиеся способом позиционирования подводящих и отводящих оптических волокон относительно отражающих поверхностей модулирующего элемента и относительно друг друга, обеспечивающие улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик ВОД различных физических величин.
-
Методика математического моделирования оптических систем ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, основанная на определении местоположения сечений в полом усеченном конусе светового потока с равномерным распределением освещенности, обеспечивающая компактную математическую модель преобразования измеряемой физической величины в изменение параметров оптического сигнала, определяющая технологическую последовательность изготовления и конструктивной оптимизации ВОД.
-
Дифференциальный способ снижения дополнительной погрешности ВОД, основанный на использовании двух оптических измерительных каналов, отличающийся тем, что световой поток в них вводится по двум подводящим оптическим волокнам от одного источника излучения, а отраженные от двух зеркальных перемещающихся поверхностей одного дифференциального модулирующего элемента световые потоки, интенсивность одного из которых уменьшается, а другого увеличивается при перемещении модулирующего элемента (МЭ), по отводящим оптическим волокнам первого и второго измерительных каналов направляются на приемники излучения первого и второго измерительных каналов соответственно.
-
Математические зависимости, определяющие конструктивно-технологические параметры дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, при которых реализуются условия дифференциального преобразования оптических сигналов.
-
Технологические процедуры юстировки и регулировки и технологические установки, обеспечивающие точность позиционирования элементов оптической системы ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа и реализацию условий, при которых осуществляется дифференциальное преобразование оптических сигналов в зоне восприятия измерительной информации.
Новизна научных результатов заключается в следующем.
-
Разработаны технологические и конструктивные решения ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, отличающиеся отсутствием изгибов оптических волокон и модуляцией интенсивности светового потока за счет механического перемещения элементов оптической системы при воздействии измеряемой физической величины в разрыве волоконно-оптического канала, что обеспечивает их надежность и точность в сложных эксплуатационных условиях.
-
Разработана методика математического моделирования ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, отличающаяся тем, что учитывает особенности и связь предложенной последовательности математических преобразований с конструктивно-технологической оптимизацией ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа на этапе проектирования, что позволяет существенно сократить материальные и временные затраты на изготовление датчиков.
-
Модернизирован дифференциальный способ снижения дополнительной погрешности ВОД, отличающийся тем, что два канала дифференциальной схемы, на-
холящиеся в одинаковых рабочих условиях, воспринимающие и преобразующие одну и ту же измеряемую физическую величину с помощью одного и того же модулирующего элемента, преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения, что обеспечивает снижение аддитивных и мультипликативных погрешностей ВОД.
-
Получены математические зависимости, определяющие условия дифференциального преобразования оптических сигналов в ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, выведенные впервые.
-
Разработаны технологические процедуры юстировки и регулировки оптической системы ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа и методика определения условий, при которых реализуется дифференциальное преобразование оптических сигналов в ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, основанные на том, что исходя из условия равенства расстояний, которые проходят отраженные лучи первого и второго измерительного канала в противоположных направлениях, определяются начальное расстояние между торцами оптических волокон и отражающих поверхностей и расстояния между оптическими осями подводящих (ПОВ) и отводящих (ООВ) оптических волокон.
Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение» в НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем», и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания технологических процессов изготовления дифференциальных ВОД и внедрению их в ВОИИС на изделиях РК и AT. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, создание макетных образцов дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП позволяют перейти к промышленному производству и внедрению дифференциальных ВОД (давления, деформации, частоты вращения, линейного и углового перемещения, виброперемещений, виброускорений, линейных ускорений), для которых они являются базовыми.
Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в соответствии с «Комплексной программой НИР и ОКР по созданию средств измерений, контроля и диагностики для космических аппаратов, испытательных центров наземной экспериментальной базы на период до 2010 г.», в рамках договора № 20 от 30.09.2008 г. между НТЦ «НАНОТЕХ» ПГУ и ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А. И. Глухарёва, г. Энгельс-19 Саратовской обл., а также в рамках аналитических ведомственных целевых программ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008, 2009-2011 гг.)» в форме грантов Федерального агентства по образованию «Разработка теории распределения светового потока в пространстве ВОП физических величин с открытым оптическим каналом» (шифр РНП.2.1.2.2827) и «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами» (№ 2.1.2/937).
Реализация результатов работы. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора реализованы при разработке конструкторской и технологической документации датчиков давления - шифр ВОДО-НАНОТЕХ отражательного типа, ВОДА-НАНОТЕХ аттенкжгорного типа, ускорений - шифр ВОДУ-НАНОТЕХ отражательного типа, в которых базовым элементом являются
разработанные дифференциальные ВОПЛП и ВОПУП, а также внедрены в учебный процесс ПТУ на кафедре «Приборостроение».
Элементы теории проектирования дифференциальных ВОПЛП и ВОҐІУП отражательного типа использованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве ВОП физических величин с открытым оптическим каналом», «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометричесхих систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами», а также в лабораторном практикуме дисциплины «Теория измерений» на кафедре «Приборостроение» ПГУ.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на II Инвестиционном форуме Пензенской обл. (Пенза, 2008 г.), Международной выставке «Helirussia-2008» (Москва, «Экспо-Крокус», 2008 г.), Международных научно-технических симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2009, 2010, 2011 гг.), IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2009 г.), III Российском форуме «Российским инновациям - российский капитал» и VIII ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (Ижевск, 2010 г.),VI Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011 г.), Международной технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011 г.), IV Российском форуме «Российским инновациям - российский капитал» и IX ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (Оренбург, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, из которых 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение. Без соавторов опубликована 1 работа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, семи приложений. Основная часть изложена на 223 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 11 таблиц, Библиографический список содержит 86 наименований. Приложения к диссертации занимают 24 страницы.
