Технологические основы проектирования волоконно-оптических датчиков давления для искро-взрывопожароопасных инженерно-технических объектов

УДК 681.586.5

Технологические основы проектирования волоконно-оптических датчиков давления для искро-взрыво- пожароопасных инженерно-технических объектов

Technological basis for the design of fiber-optic pressure sensors for spark explosive fire engineering

objects

Е.А.Бадеева, к.т.н., А.Г. Пивкин*, к.т.н.,

Т.И.Мурашкина, д.т.н.

E.A. Badeeva. A.G. Pivkin T.I. Murashkina

ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

*ООО «НИИВТ-Русичи-Фарма»

Предложена новая технологическая концепция проектирования ВОДД с повышенными эксплуатационными и метрологическими характеристиками.

A new technological concept design VODD with the increased operational and metrological characteristics.

Ключевые слова: волоконно-оптический датчик давления, оптический канал, технология, сборка, точность измерений

Keywords: fiber-optic pressure sensor, an optical channel, technology, assembly, accuracy measurements

На специальных инженерно-технических объектах (ИТО), например: космической и авиационной техники измерения давления составляют половину всех измерений. Дальнейшее совершенствование систем измерения давления на ИТО возможно на пути использования новых перспективных средств измерения, к которым относятся волоконно-оптические датчики давления (ВОДД). Соответственно возросшие требования к элементной базе со стороны систем измерения ИТО выдвинули крупную научную проблему по созданию технологических основ проектирования ВОДД с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения высокой точности и надежности при проектировании новых ВОДД на первый план выступают технологические вопросы: необходимы современные технологические

процессы и процедуры юстировки, настройки, регулировки их оптических систем, обеспечивающие формирование рациональной структуры светового потока, несущего измерительную информацию об измеряемом давлении.

Проведенный анализ научно-технической информации позволил сделать следующие выводы:

- потенциальные возможности ВОДД не реализуются из-за того, что в зоне измерения теряется большая часть светового потока в процессе восприятия измерительной информации, обусловленная технологическими ошибками в процессе сборки, юстировки и настройки оптической системы ВОДД;

- известные ВОДД имеют существенную дополнительную погрешность, обусловленную изменением параметров при воздействии ВВФ и, в первую очередь, при изменении температуры окружающей среды;

- повышения чувствительности преобразования можно добиться уменьшением потерь светового потока в ВОДД, используя современные технологические способы и процедуры;

- ВОДД в настоящее время не получили широкого применения из-за сложности конструктивно-технологического характера.

Разработана новая технологическая концепция проектирования ВОДД с повышенными эксплуатационными и метрологическими характеристиками. Особенности проектирования ВОДД для специальных ИТО требуют исключения влияния на результат измерения изгибов оптических волокон, что возможно на пути применения открытых оптических каналов измерительных преобразователей ВОДД, то есть в разрабатываемых ВОДД должны быть применены конструктивно-технологические решения, которые исключают какие-либо изгибы оптических

волокон. Целесообразно применение дифференциальных схем преобразования сигналов, причем данное преобразование целесообразно проводить с оптическими сигналами непосредственно в зоне восприятия измерительной информации, что является новым технологическим решением. Для этого необходимо разрабатывать адекватные конструктивно-технологические решения ВОДД.

Основу разрабатываемых измерительных преобразователей ВОДД составляет открытый оптический канал (рисунок 1). ООК характеризуется конструктивно-технологическими и оптическими параметрами, приведенными на рисунке 2, изменение которых обеспечивает требуемое течение процесса преобразования в ВОПД.

Управление световым потоком оптического канала ВОПД осуществляется посредством модулирующих элементов и управляемых параметров ООК, в качестве которых выступают или специально вводимые в конструкцию ООК устройства управления, или изменяемые в процессе измерения конструктивно-технологические параметры среды распространения оптического сигнала. К управляемым конструктивно-технологическим параметрам ВОПД относятся: оптические и конструктивные параметры оптических волокон, их количество и пространственное распределение, формы и радиусы кривизны преломляющих и отражающих поверхностей, расстояния между поверхностями, показатели преломления сред, составляющих оптическую систему, материалы конструктивных элементов оптического канала.

Р

Е

Г

_А_

Х x2 xn

Л

аі а2 ... ап bi D2 ... bn

У.

J У.

В

V

J

> Y

А - множество значений параметров оптического сигнала на входе;

В - множество значений конструктивных параметров ООК;

Е - вектор возмущений; Y - вектор состояния ООК; Р - измеряемое давление

Рисунок 1 - Оптический канал ВОДД

Оптический

канал

Волоконно- оптический Измерительный преобразователь

кабель

схема расположения ОВ в приемном торце формы и радиусы кривизны преломляющих и отражающих

схема расположения ОВ поверхностей

в передающем торце расстояния между преломляющими, отражающими, рассеивающими, излучающими и поглощающими

схема расположения ОВ общем торце

параметры ОВ: диаметры поверхностями

сердцевины, оболочки, апертурный угол, коэффициенты преломления сердцевины и оболочки показатели преломления сред, составляющих оптический канал

материалы конструктивных элементов ВОП

Рисунок 2 - Конструктивно-технологические параметры открытого оптического канала ВОДД

При сборке ВОДД на первый план выступают технологические вопросы юстировки оптической системы, связанные с распределением плотности мощности по сечению пучка света, характер изменения структуры излучения в зоне измерения.

Разработана графическая модель распределения интенсивности светового потока с учетом распределения в дальней зоне дифракции. Распределение в разных сечениях светового пучка в зависимости от Х (рисунок 3) будет иметь вид: а) в сечении А-А при 0 < Хі < ткр, б) в сечении Б-Б при Х2 = ткр, в) в сечении В-В Х3 > ткр (рисунок 4).

А J В

Xi

А Б В

Рисунок 3 - Графическая модель формирования светового потока

Рисунок 4 - Распределение интенсивности светового потока в различных сечениях

Доказано, что существуют такие поперечные сечения светового потока в зоне измерения, в которых освещенность поверхности равномерная, в этом случае поведение модуляционной функции К(Р, Z) прогнозируемо и позволяет однозначно определить вид функции преобразования Ф(Р, Z). Для того, чтобы поведение модуляционной функции К(Р, Z) было прогнозируемо и позволяло однозначно определить вид функции преобразования Ф(Р, Z), необходимо, чтобы коэффициент, характеризующий распределение освещенности К(В), был равен 1. Технологически это условие выполняется, когда МЭ и ООВ расположены в плоскости, где распределение освещенности по сечению, перпендикулярному оптической оси ВОДД, равномерное.

Сделаны выводы:

- при конструировании ВОДД модулирующий элемент следует располагать на расстоянии X > ткр, что обеспечивает по всей плоскости поперечного сечения В-В однородное распределение и упрощает расчеты;

- при расположении Хi < ткр распределение на торце неравномерное, и данный участок не рекомендуется для ВОДД, имеющих функцию преобразования непрерывного типа. В то же время данный участок целесообразно использовать в ВОДД релейного типа.

Разработана технологическая последовательность проектирования оптической системы ВОДД (рисунок 5).

Рисунок 5 - Технологическая последовательность проектирования оптической

системы ВОДД

Определены основные критерии оптимизации конструктивно-технологических параметров ВОПД для определения функции преобразования. Вектор критериев имеет вид x = {xbХ2,Хз}єТХ, где Хі - условие линейности; Х2 - условие чувствительности; Хз - условие модуляции.

Хі определяет аналитический вид линейной функции преобразования Ф(Р) = kP + b, т. е. коэффициент корреляции рф X между значениями измеряемой физической X величины и

значениями выходного сигнала Ф

определяется выражением

МФ, X sFs X

= 1

где

Mfx , °Ф,sX - коэффициент ковариации, среднеквадратичные отклонения двух числовых последовательностей, соответственно;

Х2 определяет чувствительность ВОП:

а) для линейной функции б) для ступенчатой функции

распределения распределения

, dF k =  max ; dX lim e0 lim Ф( X) Х  Хкрит.- e = c  max.

lim Ф( X) Х Х крит. +е

, Ф

тах(Ф(Ха), Ф(Хр )) '

Определена задача моделирования оптической системы ВОДД. Требуется определить

* * * *

конструктивные параметры U (Ц ,U2,...,Um)еТц, которые удовлетворяют системе ограничений

Ug) < U* < Uj

и a2) < u2 < u

;p

Допустимая технологическая погрешность изготовления єг- =

UP° - U«

, i = 1,2,..., m, где

Ua(i),Ub(i) - границы доверительных интервалов для искомых конструктивных параметров с

заданной надежностью y^*,i = 1,2,..., m. При этом необходимо, чтобы функция преобразования

* J * * * 1

Ф = f(X,U) удовлетворяла условиям Х ={Х1,Х2,X3J, которые являются допустимыми значениями критериев оптимизации, удовлетворяющие следующей системе неравенств:

(х1 )«<х1 <(x1jp

(xi )« < Х* < (xi )b, i = 1,2,3 или < (х2 )« < Х2 < (х2 )р

^ (хз )«<Х3 <(хз )р

с заданной надежностью уХ,i = 1,2,3, ((xi )и, (xi )р j,i = 1,2,3 - доверительные интервалы для соответствующих условий.

* J * * * I

Определены оценки критериев управления Х = "ІХ1,Х2,Хз J.

*

1 Условие линейности Х1 .

Определена линейная функция Ф(Х, k (U)) = k (U)X + b (U), удовлетворяющая условию

F(U) = / [Ф(Х, k(U)) - Ф( X, U )f dX

min,

где параметры

образом:

X a

линейной

функции

определяются

следующим

~(U) = Рв

SX

k S

b(U) = M (Ф) - M (X )рв -Ф-.

SX

Выборочный коэффициент корреляции

Рв (U) =

М

-X-Ф

где Sф, Sx - выборочные дисперсии распределений, Ф; X- значения функции распределения при воздействии физической величины X .

Значимость коэффициента корреляции с надежностью g определяется из условия

Рі

UN - 2

Vі-р2

> tg,N-2 :

вид

где tg n-2 - значение t-критерия Стьюдента с ( N - 2)-уровнем значимости.

Доверительный интервал с надежностью g для коэффициента чувствительности k (U) имеет

k (U) - tg;N-2-/ _ £ k(U) £ k (U) + tg;N-2-/лт _ .

SX^N - 2 Sx\N - 2

*

2 Условие, отвечающее увеличению чувствительности %2 .

Определен доверительный интервал для коэффициента чувствительности с надежностью не менее g

(

\k (U )|

> min

k (U) - tg;N-2

s ФVі рв

sXylN - 2

k (U ) + tg;N-2

s фУ1 рв

sXy/N- 2

3 Условие наибольшей глубины модуляции Т3.

При выборе линейной аппроксимирующей функции оценка глубины модуляции будет иметь

вид

h (U) =

\k(U )(xb- X a]

|~(U)(xp + Xa)+ 2b(U) '

Поставленная задача решается по следующему алгоритму:

1 На области допустимых значений решается экстремальная задача

F (U)  min,

решение которой берется в качестве первого приближения

и(і) ={иі(і),u2\.., um}.

2 По найденному решению находится выборочный коэффициент корреляции рв на заданном уровне значимости (1 - ур ), и делается оценка коэффициента чувствительности:

k

> min

W і-рв

k (U ) - tg; N-2 --------7=

s'x* N - 2

k (U) + tg;N -2

sW і-рв

SxJN-2

При этом оценка глубины модуляции имеет вид

~(U(1)) =

~

max

3 Уточнение параметров искомой линейной функции преобразования определяется из

решения системы

th

z —

t ^

I g

VN—3

f

<Рв <th

Z +

V

V-—з

\ka< min

... - f- - yX—N—P

, . t sf1 1 — Рв

k (U) +^N—2 s^lN-2

ha <

~(U (1))(xp— X a|

< kp •

<

max

t

На данном этапе функция преобразования светового потока будет иметь вид Ф 2 = k1X + b1. Для найденных значений параметров k1,Ь уточняются конструктивно-технологические

ЭF

параметры оптической системы ВОДД из условия, что

эи

= 0 , которые обеспечивают

минимальное значение функционала

Xp

І [Ф2(X,U) —Ф1 (X,U)]2dX  min.

X a

Уточненные значения параметров ВОП U(1) ={u1(1),U21),...,

находятся из решения

системы

эи,

xp.

Л

І [Ф2 (XU)—Ф1(Хи)]2dX

v X a

= 0, i = 1, 2,...,m•

4 Дальнейшее уточнение конструктивно-технологических параметров ВОДД и параметров линейной модели функции преобразования происходит по итерационной схеме:

xp г~ ~ ~ ь

а) Fn(Un) = | [Фп(X,kn(Un),bn) — Ф(X,Un)] 2dX

min;

X „

э

б)

FU)

эи,

_э_

=0,i =1,2,...m, или э^

f Xp 1

Л

kn (Un )Х+bn —Ф(Х ,un) О II *3 £4

У

i = 1,2,...,m.

5 Итерационный процесс прекращается при достижении критериев оптимизации

* I * * * 1

т = {% T2, Т3/.

Большинство аддитивных погрешностей может быть снижено в процессе сборки точной юстировкой элементов конструкции, а мультипликативные погрешности, обусловленные изменением энергетических параметров источников и приемников излучения и коэффициента преобразования измерительного преобразователя при изменении параметров окружающей среды носят систематический характер. Они могут быть существенно снижены при дифференциальном преобразовании оптических сигналов.

Для реализации дифференциального преобразования оптических сигналов необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:

I условие: световой поток, поступающий в зону измерения должен быть сформирован от одного источника излучения, далее передаваться в зону восприятия измеряемого давления по ПОВ, и на выходе из оптического волокна должна быть сформирована такая структура светового потока, которая позволит разделить его с помощью модулирующих элементов на два световых

потока, каждый из которых будет далее преобразовываться в первом или во втором измерительных каналах датчика;

II условие: должна быть такая компоновка ОВ в рабочих торцах волоконно-оптического кабеля, которая обеспечивает разделение светового потока источника излучения на два потока двух измерительных каналов.

III условие: алгоритм конструктивно-технологического исполнения дифференциального модулирующего элемента (аттенюатора) должен обеспечивать увеличение сигнала в одном канале и уменьшение в другом.

Для выполнения условий реализации дифференциального преобразования оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительной информации ВОДД с предельными (рисунок 6,а) и отражательными аттенюаторами (рисунок 6,б), разработана технологическая последовательность, включающая следующие этапы:

ООВ2

д

б)

Рисунок 6 - Технологическая последовательность дифференциального преобразования оптических сигналов в ВОДД

а) формирование светового потока от одного источника излучения ИИ;

б) введение светового потока от одного источника излучения ИИ в одно подводящее оптическое волокно ПОВ;

в) формирование на излучающем торце ПОВ светового потока в виде полого усеченного конуса с толщиной стенок, равной диаметру сердцевины ОВ;

б) нахождение поперечных сечений А-А в полом усеченном конусе, в которых распределение освещенности равномерное;

в) расположение дифференциального модулирующего элемента ДМЭ в зоне с равномерным распределением освещенности;

г) деление светового потока в зоне равномерной освещенности на две равные части (верхнюю и нижнюю) в продольном направлении с помощью дифференциальных аттенюаторов;

д) введение нижней части светового потока в первое отводящее волокна ООВ1;

е) введение верхней части светового потока во второе отводящее волокно ООВ2;

ж) передача световых потоков по ООВ1 и ООВ2 на приемники излучения ПИ1 и ПИ2 первого и второго измерительных каналов соответственно.