Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Испытание летательных аппаратов и их систем

Диссертационная работа:

Пивкин Александр Григорьевич. Моделирование и конструирование амплитудных волоконно-оптических датчиков давления аттенюаторного типа для систем контроля, испытаний авиакосмической техники : Дис. ... канд. техн. наук : 05.07.07 : Москва, 2004 197 c. РГБ ОД, 61:04-5/2678

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

ГЛАВА 1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 14

1.1 Анализ состояния вопроса создания и использования датчиков

на объектах авиакосмической техники....: 14

1.2 Оценка перспективности внедрения волоконно-оптических
датчиков давления в системах контроля и испытаний

изделий авиакосмической техники 18

  1. Пример использования волоконно-оптических датчиков давления при испытаниях и контроле систем летательных аппаратов 21

  2. Обоснование выбора волоконно-оптических преобразователей

давления с открытым оптическим каналом аттенюатор но го типа 29

Выводы к главе 1 39

ГЛАВА 2 ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКАХ

ДАВЛЕНИЯ АТТЕНЮАТОРНОГО ТИПА 40

2.1 Принцип действия волоконно-оптических преобразователей

давления аттенюаторноготипа 40

2.2. Преобразование светового потока в оптическом канале

волоконно-оптического датчика давления аттенюатор но го типа 43

23 Функции преобразования волоконно-оптических

преобразователей перемещения с предельным аттенюатором 57

2.4 Принцип действия и функция преобразования дифференциального волоконно-оптического датчика давления

с предельным аттенюатором 68

Выводы к главе 2 80

з
ГЛАВА З ОСОБЕННОСТИ ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ
АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
ДАВЛЕНИЯ АТГЕНЮАТОРНОГО ТИПА 80

  1. Элементная база волоконно-оптических датчиков давления 80

  2. Выбор конструкции предельных аттенюаторов 89

  3. Методика расчета параметров волоконно-оптического преобразователя давления атгенюаторного типа 101

  4. Особенности схем но-конструктивных решений и физической реализации дифференциальных волоконно-оптических

преобразователей и датчиков давления атгенюаторного типа 104

Выводы к главе 3 111

ГЛАВА 4 ОЦЕНКА МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ
ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ АТГЕНЮАТОРНОГО ТИПА 112

  1. Источники погрешностей амплитудных волоконно-оптических датчиков давления атгенюаторного типа и способы их уменьшения 112

  2. Влияние волоконно-оптического кабеля на эксплуатационные характеристики волоконно-оптических датчиков давления

и способы их улучшения 129

  1. Влияние волоконно-оптического кабеля на метрологические характеристики волоконно-оптических датчиков давления и рекомендации по их улучшению 141

  2. Экспериментальные исследования макетных образцов волоконно-оптических преобразователей и датчиков давления

атгенюаторного типа 147

Выводы к главе 4 163

Заключение 164

Перечень принятых сокращений 167

Библиографический список 168

ПРИЛОЖЕНИЕ А Технические характеристики зарубежных

и отечественных датчиков давления

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Расчёт параметров волоконно-оптического преобразователя давления

атгенюаторноготипа 1

ПРИЛОЖЕНИЕ В Фотографии измерительной установки для исследования волоконно-оптических преобразователей

перемещения аттенюатор ного типа

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Фотографии и сборочные чертежи

макетных и опытных образцов ВОДД аттенюатор но го типа

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акты внедрения результатов диссертации 1

Введение к работе:

В России ведутся работы по совершенствованию и созданию различных волоконно-оптических устройств, систем, их компонентов и технологии изготовления самих оптических волокон (ОВ). Достаточно отработаны и уже широко используются волоконно-оптические телекоммуникационные системы. Ведутся интенсивные разработки в области создания внутри-' объектовых волоконно-оптических сетей сбора данных, обеспечивающих более эффективное использование информации о состоянии объекта в сравнении с традиционными системами сбора и преобразования информации в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и повышенной искро- и взрывоопасное [51]. Дальнейшее совершенствование систем контроля и испытаний авиакосмической техники (АКТ) также не возможно без использования новых перспективных средств измерения, к которым, в первую очередь, относятся волоконно-оптические датчики (ВОД).

Преимущества ВОД перед традиционными электрическими следующие:

могут использоваться во взрывоопасной среде ввиду абсолютной искро- и взрывобезопасности;

имеют высокую механическую прочность, малые габариты, простую конструкцию и, соответственно высокую надежность;

химически инертны;

изготавливаются из диэлектрических материалов, чем обеспечивается отсутствие путей прохождения через них электрического тока;

имеют высокую стойкость к повышенным температурам, механическим ударам, вибрациям и другим воздействиям окружающей среды;

позволяют производить бесконтактные и дистанционные измерения;

- потребляют малое количество энергии;

- сигналы, идущее от датчиков, позволяют производить простое
мультиплексирование;

- некоторые ВОД могут использоваться в ситуациях, в которых элек
тронные устройства либо вообще нельзя использовать, либо такое исполь
зование сопровождается значительными трудностями и расходами, (на
пример: измерение температуры в высоковольтных элеюрических аппара
тах, таких как генераторы переменного тока, трансформаторы; измерение
тока и напряжения в высоковольтных линиях электропередачи; быстрое
измерение температуры небольших поверхностей, имеющих малую тепло
проводность и переменную отражающую способность; в труднодоступных
местах).

Несмотря на неоспоримые преимущества ВОД в настоящее время работы по созданию отечественных ВОД только выходят за рамки лабораторных исследований- Отставание отечественных разработок ВОД от зарубежных объясняется рядом объективных причин, среди которых определяющей является отсутствие комплексного подхода к решению этой проблемы и, как следствие, недостаточное финансирование этой области контрольно-измерительной техники. В то же время потребность в ВОД в различных отраслях достаточно высока [50]. Наибольшую потребность в ВОД испытывают ракеті ю-космическая, авиационная и военная техника. Не смотря па это, в настоящее время имеет место недопустимая недооценка роли ВОД при решении задач измерения и контроля в различных системах и на различных объектах.

Выявлены следующие факторы, влияющие на современное состояние в области разработки и использования ВОД:

- разработка ВОД в целом но стране не планируется;

предприятия отдельных отраслей, как оборонных, так и общепромышленных ведут разработки ВОД практически только для "своих" изделий под ограниченный перечень задач;

работы по созданию ВОД родственных предприятий различных отраслей не координируются, ведутся без обмена опытом и информацией;

при постановке новых задач разрабатываются новые датчики, нередко с "нулевого" задела;

предприятия, как правило, руководствуясь сиюминутными доходами, не заинтересованы в проведении широкоплановых комплексных исследований по созданию гаммы универсальных ВОД,

Преодоление существующих проблем - основная задача создания ВОД.

Давление - это один из тех параметров, без измерения которого не обходится ни один объект техники специального назначения. Так на объектах авиационно-космической техники подобные измерения составляют половину всех измерений. Поэтому создание ВОД давления (ВОДД) является актуальной задачей.

Проблемой создания ВОД занимались как зарубежные, так и отечественные ученые: В. Д.Бурков, В. И. Бусурин, М. М. Бутусов, В- М. Гречишников, В. Г. Жилин, Е. А. Зак, К Е. Конюхов, Я. В. Малков, Т. И. Му-рашкина, А, Л. Патлах, В. Т. Потапов, Н. П. Удалов, и др. В то же время вопросам разработки ВОД давления посвящено не так много работ, в научно-технической литературе слабо отражены особенности проектирования ВОДД для изделий, эксплуатируемых в жестких условиях ракетно-космической техники. Большая часть известных публикаций связана с ВОДД отражательного типа, так как они наиболее просты в изготовлении. В то же время известно, что потенциальные возможности ВОД не реализуются в них из-за того, что в зоне измерения теряется большая часть свето-

вого потока в процессе отражения его от зеркальной мембраны. Это ведет к снижению чувствительности преобразования и, соответственно, к низкой точности измерения. Повышения чувствительности преобразования ВОДД можно добиться уменьшением неинформативных потерь света в процессе преобразования измерительной информации и, в первую очередь, в зоне восприятия информации об измеряемой величине- Этого можно добиться в ВОДД аттенюатор ного типа, ВОДД подобного типа не получили широко распространения, так как требуют точной юстировки оптических волокон относительно друг друга и относительно аттенюатора. Смещение оптических волокон относительно друг друга и относительно аттенюатора на 1...5 мкм в известных технических решения ВОДД аттенюаторного типа может привести к резкому снижению чувствительности преобразования оптического сигнала и, соответственно, к снижению точности измерения. Кроме того, большинство амплитудных ВОДД имеют существенную дополнительную погрешность, обусловленную, в первую очередь, изменением температуры окружающей среды и изгибами оптических волокон.

Учитывая вышеизложенное, целью диссертационной работы является повышение эффективности систем контроля и испытания авиакосмической техники путем существенного улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик ВОДД.

Соответственно, научная задача, решаемая в работе, - моделирование и конструирование новых волоконно-оптических датчиков давления аттенюаторного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала при перекрытии части светового потока в зоне открытого оптического капала датчика под действием измеряемого давления.

Для решения поставленной научной задачи проведены следующие исследования и разработки:

разработаны и проанализированы структурные, математические и метрологические модели амплитудных ВОДД аттенюаторного типа с целью выбора наиболее оптимальной из них;

разработаны алгоритмы преобразования сигналов амплитудных ВОДД аттенюаторного типа;

разработаны новые конструкции дифференциальных аттенюаторов и выбраны наиболее эффективные из них, обеспечивающие максимальные глубину и чувствительность преобразования оптического сигнала, простоту юстировки элементов оптической системы;

усовершенствован дифференциальный способ повышения точности измерения ВОДД аттенюаторного типа, основанный на дифференциальном управлении световым сигналом непосредственно на участке восприятия измерительной информации;

выведена аналитическая зависимость между выходным и входным сигналами дифференциального ВОДД аттенюаторного типа;

-осуществлена практическая реализация полученных результатов;

- проведены теоретические и экспериментальные исследования и
анализ метрологических и эксплуатационных возможностей эксперимен
тальных образцов разработанных ВОДД аттенюаторного типа.

Предмет исследований - волоконно-оптические преобразователи и датчики давления аттенюаторного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности оптического сигнала при перекрытии части светового потока в зоне открытого оптического канала под действием измеряемого давления, предполагаемые к применению системах перспективных образцов авиакосмической техники..

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, аналитической геометрии, теории геометрической и волоконной оптики, методы ма-

тематической физики, прикладной механики, методы решения оптимизационных задач. Достоверность полученных теоретических результатов и выводов подтверждалась экспериментальными исследованиями реальных образцов датчиков давления, созданных с использованием разработанных математических моделей и методики проектирования, а также сравнением полученных результатов с экспериментальными и расчетными данными, опубликованными другими авторами.

Навита научных результатов заключается в следующем.

Развита методика проектирования амплитудных ВОДД атгенюатор-ного типа для изделий авиакосмической техники (АКТ); разработан комплекс базовых функций преобразования ВОПД с учетом функции распределения светового потока в пространстве зоны измерения, анализ которых показал, что, изменяя целесообразным образом конструктивные параметры ВОПД, можно добиваться требуемых метрологических характеристик.

Создана методическая база для расчета основных параметров амплитудных ВОПД и ВОДД атгенюаторного типа.

Усовершенствован дифференциальный способ улучшения метрологических характеристик ВОДД атгенюаторного типа: чувствительности преобразования, глубины модуляции оптического сигнала, снижения погрешности измерения, основанный на дифференциальном управлении световым потоком непосредственно на участке восприятия измерительной информации и за счет применения оригинальных схем компоновки оптических волокон в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля.

На основе проведенных исследований разработаны новые технические решения амплитудных ВОДД атгенюаторного типа, обеспечивающие требуемые метрологические характеристики и надежное функционирование ВОДД в условиях эксплуатации, характерных объектам АКТ.

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором, и обеспечивает создание и внедрение в системах контроля и испытаний изделий авиакосмической техники амплитудных волоконно-оптических датчиков давления аттенюаторного типа с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по-' зволяюг перейти к промышленному производству и внедрению разработанных датчиков.

Исследования проводились в рамках Федеральной космической программы России, "Программы оборонных НИР на 1996 - 2000 г.г,", фундаментальных и отраслевых НИР и ОКР Минобщемаща СССР и Росавиакосмоса: НИР «Фаза» № 1007-8603, НИР «Световод» №1007-8501, НИР «Задел» №1007-8601, НИР «Измерение» №1007-8103, НИР «Автоматика-1», выполняемого Федеральным ядерным центром ВНИИТФ по гособоронза-казу, дог. № 4 (546Н) от 06.07-1999 г, между ПГУ и НИКИРЭТ (ГУП СНПО «Элерон» г. Заречный Пензенской обл. (НИР "Сфера"),

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке ВОД давления, а также внедрены в учебный процесс в Пензенском государственном университете на кафедре «Приборостроение».

В частности, эти результаты использовались при создании ВОДЦ аттенюаторного типа на диапазоны 0,..5, 0...10, 0..Л5» 0-,28 кгс/см2.

Разработаны макетные образцы датчиков; шифр ВОДЦ 001 (для измерения разности давлений), ВОДЦ 002 (для измерения избыточного давления).

Датчики ВОДД 001 и ВОДД 002 внедрены на предприятиях Федерального космического агентства.

Элементы общей теории и проектирования ВОДД агтенюаторного типа, материалы по расчету ВОПД аггешоаториого типа использованы в НИР «Автоматика-1», выполняемой ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ г. Снежинок Челябинской обл. по гособоронзаказу, а также в лекционном материале и лабораторном практикуме учебной дисциплины «Волоконно-оптические измерительные приборы и системы».

Автор благодарен сотрудникам Росавиакосмоса, РКК "Энергия", МГУЛ, ПГУ, НИИФИ, научная и практическая помощь которых помогли выполнить основную часть диссертационной работы и внедрить основные ее положения в реальные изделия и учебный процесс. Особая благодарность научному руководителю Горишу Л.В, и научному консультанту Му-рашкиной Т.И.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на НТС Росавиакосмоса, на 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 і\).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 1 монография, 9 статей в центральных (в том числе международных) изданиях и межвузовских сборниках, 2 заявки на изобретения. Без соавторов опубликовано 3 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, 6 приложений. Основная часть изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 7 таблиц. Список литературы содержит 101 наименование. Приложения к диссертации занимают 20 страниц.

13 На защиту выносятся следующие положения:

1 Структурные, математические и метрологические модели, алго
ритмы преобразования сигналов амплитудных ВОДЦ аттенюатор ного ти
па,

  1. Дифференциальный способ повышения точности измерения ВОДД аттенюатор но го типа, основанный на дифференциальном управлении световым потоком непосредственно на участке восприятия измерительной информации,

  2. Методика расчета основных параметров оптического канала, при которых обеспечиваются повышенные метрологические характеристики амплитудных ВОДД аттенюатоного типа.

  1. Новые конструкции дифференциальных аттенюаторов, обеспечивающие максимальные глубину модуляции и чувствительность преобразования, простоту юстировки элементов оптической системы,

  2. Научное обоснование и новые технические решения амплитудных ВОД давления аттенюатор ного типа с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, внедрение которых позволит повысить эффективность систем контроля и испытаний изделий авиакосмической техники.

Подобные работы
Прудников Виталий Анатольевич
Методика системного проектирования комплекса средств технологического оснащения для испытаний агрегатов систем управления ракетно-космической техники на этапе производства
Зайцев Александр Анатольевич
Разработка гибкой автоматизированной системы контроля технического состояния токораспределительных комплексов воздушных судов при обслуживании и ремонте
Быстров Николай Дмитриевич
Формирование динамических характеристик пневмогидравлических цепей передачи информации систем контроля и управления двигателей летательных аппаратов
Ратникова Нина Алексеевна
Теоретические основы, аппаратные средства и программно-математическое обеспечение информационной системы мониторинга и контроля по состоянию воздушных судов
Бадеева Елена Александровна
Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для информационно-измерительных систем
Коломиец Лев Николаевич
Дифференциальные волоконно-оптические датчики давления отражательного типа
Иноземцев Сергей Александрович
Пространственно распределенная автоматическая система экологического контроля радио запрос-ответного типа
Иванов Сергей Викторович
Методы и цифровые устройства адаптивной и многоскоростной фильтрации в системах управления и контроля, использующих датчики уровня радиодальномерного типа
Мелентьев Владимир Сергеевич
Информационно-измерительные системы контроля и испытаний энергообъектов на основе методов измерения и обработки мгновенных значений электрических сигналов
Должиков Сергей Николаевич
Совершенствование системы контроля и испытаний тяговых электродвигателей локомотивов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net