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
Технология приборостроения

Диссертационная работа:

Юрова Ольга Викторовна. Технологические методы и средства повышения точности волоконно-оптических преобразователей линейных и угловых перемещений отражательного типа: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.11.14 / Юрова Ольга Викторовна;[Место защиты: ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»].- Пенза, 2012.- 24 с.

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность работы. Создание и внедрение информационно-измерительных приборов (ИИП) нового поколения для отечественных инженерно-технических объектов (ИТО) ракетно-космической, авиационной, машиностроительной, судостроительной и других отраслей техники требуют разработки и совершенствования технологических процессов и процедур изготовления волоконно-оптических датчиков (ВОД) различных физических величин: давления, перемещения, деформации, ускорений, уровня жидкости и др.

Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы в области их разработок являются сдерживающими факторами широкого внедрения волоконно-оптических информационно-измерительных систем (ВОИИС). Поэтому существует реальная потребность в быстрейшем создании ВОД различных типов, сопрягаемых с разрабатываемыми ВОИИС.

Основное преимущество ВОД перед электрическими обусловлено их возможным использованием в ситуациях, в которых либо электронные устройства вообще нельзя использовать, либо такое использование сопровождается значительными трудностями и расходами. ВОД обеспечивают чрезвычайно высокий уровень безопасности при эксплуатации в потенциально искро-, пожаро- и взрывоопасных условиях. Важнейшим достоинством ВОД является невосприимчивость их к высокочастотным и импульсным электромагнитным помехам. Внедрение ВОИИС существенно уменьшает массу и объем измерительных средств и кабельных сетей на ИТО различных отраслей техники.

Научно-технические и технологические предпосылки к решению проблем проектирования и изготовления ВОД созданы как зарубежными, так и отечественными учеными: В. Д. Бурковым, В. И. Бусуриным, М. М. Бутусовым, А. В. Горишем,
В. М. Гречишниковым, В. Г. Жилиным, Е. А. Заком, Н. Е. Конюховым, Я. В. Малковым, Т. И. Мурашкиной, А. Л. Патлахом, В. Т. Потаповым, Н. П. Удаловым и др. В то же время в известной научно-технической литературе недостаточно отражены технологические особенности проектирования и изготовления ВОД, эксплуатируемых в специальных условиях ИТО.

Для достижения требуемых метрологических и эксплуатационных характеристик ВОД необходимо решить технологические вопросы проектирования и изготовления оптических систем измерительных преобразователей. До настоящего времени не разработаны технологические процессы, обеспечивающие эффективную сборку, настройку, регулировку, юстировку оптической системы волоконно-оптических преобразователей линейных (ВОПЛП) и угловых перемещений (ВОПУП), являющихся основными технологическими базовыми элементами ВОД различных физических величин.

Особенности проектирования высокоточных и надежных ВОД для ИТО различных отраслей требуют исключения влияния на результат измерения изгибов оптических волокон (ОВ) и различных внешних влияющих факторов, что можно обеспечить применением дифференциальных методов преобразования оптических сигналов, несущих информацию об измеряемой физической величине. Данное преобразование оптических сигналов необходимо реализовать непосредственно в зоне восприятия измеряемой информации, для чего следует разработать новые адекватные конструктивно-технологические решения дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП.

Наибольшее применение получили ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, принцип действия которых основан на изменении интенсивности светового потока в оптической системе под действием измеряемой физической величины. Однако для достижения высокой точности и надежности ВОД на основе дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа необходимо разработать соответствующее технологическое обеспечение процессов их проектирования, сборки и изготовления.

Создание новых технологических процессов и средств изготовления таких дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа с реализацией теории дифференциального преобразования оптических сигналов в зоне восприятия измерительной информации, которые обеспечивают повышение точности и надежности ВОД, является актуальной задачей.

Цель исследований. Целью диссертационной работы является решение научной задачи совершенствования известных и разработки новых технологий производства ВОД повышенной точности и надежности для измерения, контроля и диагностики физических процессов на основе дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа.

Научная задача, решенная в работе, – научное обоснование, разработка новых методов, средств, процедур и технологий изготовления ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для перспективных ИИП ракетно-космической и авиационной техники.

Область исследования. Проблемы, решенные в диссертации, соответствуют проблематике специальности 05.11.14 – Технология приборостроения: п. 1 – разработка научных основ технологии приборостроения при создании ИИП нового поколения (ВОД на основе дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа), п. 3 – разработка и исследование методов и средств повышения точности и надежности приборов (ВОД на основе дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа) и технологических процессов их изготовления; п. 6 – разработка, исследование и внедрение новых видов технологического оборудования для изготовления деталей, сборки, регулировки, контроля и испытаний приборов (ВОД на основе дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа).

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

проведен анализ известных методов и процедур проектирования ВОПЛП и ВОПУП, на основании которого разработана методика математического моделирования базовых решений ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающая проектирование и изготовление ВОД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками;

разработаны базовые унифицированные конструктивно-технологические элементы и узлы дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП на основе модулирующих отражательных элементов (МОЭ), а также специальные волоконно-оптические кабели (ВОК), отличающиеся схемой позиционирования оптических волокон в рабочих торцах, обеспечивающие дифференциальный алгоритм преобразования оптических сигналов, что существенно уменьшает дополнительные погрешности ВОД отражательного типа для измерения различных физических величин;

разработаны структурные математические и метрологические модели дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, позволяющие на этапе проектирования определять источники погрешностей и конструктивно-технологическими методами и процедурами уменьшать их до минимально возможных значений;

разработаны технология позиционирования элементов, технологические процедуры юстировки и регулировки оптических систем дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающие максимальную глубину модуляции и высокую чувствительность преобразования оптического сигнала;

разработана технологическая последовательность изготовления оптической системы ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающая реализацию дифференциального преобразования оптических сигналов, что повышает точность и надежность ВОД в целом;

разработаны технологические установки для сборки, настройки и юстировки дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа.

Методы исследований. При проведении исследований использовались методы математического анализа, геометрической оптики, интегрального и дифференциального исчисления, математической физики, 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:

1) научно обоснованные базовые технологические и конструктивные решения оптических систем дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, в которых новый способ позиционирования подводящих и отводящих оптических волокон двух измерительных каналов относительно друг друга и относительно отражающих поверхностей дифференциального модулирующего элемента обеспечивает улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик ВОД различных физических величин;

2) 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, юстировки и конструктивной оптимизации ВОД;

3) 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 (ПОВ) от одного источника излучения, а отраженные от двух зеркальных перемещающихся поверхностей одного дифференциального МОЭ световые потоки, интенсивность одного из которых уменьшается, а другого увеличивается при перемещении МОЭ, по отводящим оптическим волокнам (ООВ) первого и второго измерительных каналов направляются на соответствующие приемники излучения;

4) технологические установки и приспособления, технологические процедуры юстировки, регулировки и сборки элементов оптической системы ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, построенные на основе выведенных математических зависимостей, обеспечивающие реализацию дифференциального преобразования оптических сигналов, повышение чувствительности и линейности преобразования оптических сигналов в зоне восприятия измерительной информации и снижение суммарной погрешности ВОД;

5) технологическая последовательность изготовления унифицированного волоконно-оптического кабеля для дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП, учитывающая новую схему позиционирования оптических волокон в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля, снижающая аддитивную составляющую основной погрешности и дополнительную погрешность, обусловленную изгибами оптических волокон.

Новизна научных результатов:

1. Разработаны и экспериментально подтверждены технологические и конструктивные решения ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, обеспечивающие при проектировании исключение изгибов оптических волокон и обусловливающие модуляцию интенсивности светового потока за счет механического перемещения элементов оптической системы при воздействии измеряемой физической величины в разрыве волоконно-оптического канала, что обеспечивает их высокую надежность и точность в эксплуатационных условиях.

2. 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, это позволяет существенно сократить материальные и временные затраты на изготовление датчиков.

3. Усовершенствован дифференциальный способ преобразования оптических сигналов, отличающийся тем, что два канала дифференциальной схемы, находящиеся в одинаковых рабочих условиях, воспринимающие и преобразующие одну и ту же измеряемую физическую величину с помощью одного и того же МОЭ, преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения, это обеспечивает снижение аддитивных и мультипликативных погрешностей ВОД.

4. Разработана процедура юстировки оптической системы дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, основанная на выполнении условия дифференциального преобразования оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительной информации, когда расстояние, которое проходят отраженные лучи первого измерительного канала в направлении –Z, должно быть равно по абсолютному значению расстоянию, которое проходят отраженные лучи второго измерительного канала в направлении +Z. При этом отраженные лучи должны перемещаться в противоположных направлениях.

Впервые разработаны технологические установки, обеспечивающие технологические процедуры юстировки, регулировки и сборки ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа, в конструкции которых применена система задания угла, обеспечивающая расчетное начальное расстояние между оптическими волокнами и МОЭ, требуемые угловые отклонения МОЭ в обе стороны от вертикального положения, точность позиционирования элементов оптической системы и реализацию условий, при которых осуществляется дифференциальное преобразование оптических сигналов в зоне восприятия измерительной информации.

5. Предложена технологическая последовательность изготовления унифицированного волоконно-оптического кабеля, отличительной особенностью которой является то, что для реализации условия дифференциального преобразования оптических сигналов оптические волокна делят на три пучка со стороны расположения источника и приемников излучения в соответствии с новой схемой позиционирования в общем торце волоконно-оптического кабеля, со стороны МОЭ формируют два пучка оптических волокон в соответствии с новой схемой позиционирования оптических волокон в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля.

Практическая значимость работы. Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре «Приборостроение» в НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» («НАНОТЕХ»). Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, создание технологии изготовления опытных 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 в различных отраслях науки, техники и технологии.

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 для изделий ракетно-космической и авиационной техники – шифр ВОДО-НАНОТЕХ отражательного типа, ВОДА-НАНОТЕХ аттенюаторного типа, датчиков ускорений – шифр ВОДУ-НАНОТЕХ отражательного типа, в которых базовым элементом являются разработанные дифференциальные ВОПЛП и ВОПУП.

Элементы теории проектирования дифференциальных ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа реализованы в НИР «Разработка теории распределения светового потока в пространстве волоконно-оптических преобразователей физических величин с открытым оптическим каналом», «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами», а также в лабораторном практикуме дисциплины «Точность измерительных устройств» на кафедре «Приборостроение» ПГУ. Практическая значимость исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационного исследования и предложенных технологий изготовления ВОД в НТЦ «НАНОТЕХ» ПГУ, на предприятиях ЗАО «РУСПРОМ» и НИКИРЭТ – филиал ФГУП «ПО «СТАРТ им. Н. В. Проценко».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на II Инвестиционном форуме Пензенской области (Пенза, 2008 г.), международных выставках «Helirussia-2009» «Helirussia-2011» (Москва, «Экспо-Крокус», 2009, 2011 гг.), международных научно-технических симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2009, 2010, 2011 гг.), IХ Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2009 г.), II, III, IV российских форумах «Российским инновациям – Российский капитал» и VII, VIII и IХ ярмарках бизнес-ангелов и инноваторов (Саранск, 2009 г., Ижевск, 2010 г., Оренбург, 2011 г.), VI и VII саратовских салонах изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011, 2012 гг.), международной технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011 г.), конференции Всероссийской научной школы «ИСПЫТАНИЯ – 2011» (Пенза, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 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.


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