CC BY
20ВКВ0-2019 Радиофотоника
СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ КОЛЕСНОГО ПОДШИПНИКА НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ
АДРЕСНЫХ СТРУКТУР
*
Аглиуллин Т.А. , Губайдуллин Р.Р., Сахабутдинов А.Ж., Морозов О.Г.
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ, г. Казань
* E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16040
Введение. В настоящее время уделяется большое внимание разработке беспилотных транспортных средств (ТС). Для обеспечения безопасного движения таких ТС необходимо создание более надежных систем управления их динамикой с более достоверным определением дорожных условий по сравнению с классическими системами активной безопасности автомобилей. В связи с этим возникает необходимость применения новых типов сенсорных систем для определения характеристик сцепления колес с дорожным полотном, в частности, сил, действующих на колеса.
Существующие методы измерения колесных сил можно разделить на следующие категории по месту расположения чувствительных элементов: 1) методы с датчиками, встроенными в колесную шину (акселерометры [1], датчики деформации протектора [2], датчики деформации боковины [3]); 2) методы с датчиками деформации колесного диска (используются в испытательном оборудовании); 3) методы, использующие датчики в элементах подвески (датчики деформации втулок подвески [4], датчики перемещения поворотного кулака относительно тормозного суппорта [5], датчики деформации или перемещения ступичного подшипника [6, 7]). Вычисление колесных сил, основанное на измерении деформации подшипников, имеет ряд преимуществ по сравнению с другими подходами, что обуславливает пригодность такого подхода к практическому применению. Во-первых, измерение осуществляется на не вращающемся кольце подшипника, что значительно облегчает процесс получения данных. Во-вторых, в отличие от шин, подшипник не требует замены, как правило, в течение всего срока службы автомобиля. В-третьих, методы измерения сил на основе подшипников невосприимчивы к смене шин и колес. Кроме того, измерение нагрузки на подшипнике позволяет измерить тангенциальную тормозную силу. Наконец, благодаря малому весу измерительных устройств неподресоренные массы увеличиваются незначительно, что практически не влияет на динамику автомобиля.
Система измерения на основе адресных волоконно-оптических структур. В современных волоконно-оптических сенсорных системах (ВОСС) опрос датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) осуществляется с помощью оптико-электронных интеррогаторов, которые включают в себя широкополосные источники оптического излучения для зондирования датчиков и узкополосные оптические фильтры или узкополосные лазеры с широким диапазоном перестройки частот для их опроса [8]. Сложность и высокая стоимость таких устройств препятствуют широкому применению ВОСС во многих сферах промышленности. Для решения данных проблем в настоящей работе предложена система измерения деформации подшипников на основе радиофотонных методов опроса адресных волоконных брэгговских структур (АВБС), в частности АВБС с двумя симметричными п-сдвигами (2п-ВБР) [9]. Адресная структура 2п-ВБР представляет собой три последовательные ВБР с фазовыми п-сдвигами между ними. На рисунке 1 представлено схематическое изображение структуры такой АВБС и спектральная характеристика пропускания. Брэгговские частоты (центральные длины волн) АВБС одинаковы, они имеют равную полосу пропускания, а адресность измерений обеспечивается уникальным разносом частот между двумя
окнами прозрачности в спектре АВБС, который не изменяется при наложении на 2п-ВБР деформационных или температурных полей [10].
Желаемая адресная частота АВБС с двумя фазовыми п-сдвигами может быть получена путем задания соответсвующей длины среднего участка такой структуры [10]. С целью нахождения зависимости адресной частоты 2п-ВБР от длины среднего участка, было проведено компьютерное моделирование АВБС в программе OptiGrating 4.2.2. В качестве основы был выбран аналог серийно выпускаемого оптического волокна SMF-28 с
............. I
: ' 1 ' I 1
I '
:...........
■ 1
- - |.....! • -
.. • . .-• . -- >s
Длина воины (мкм)
Рис. 1. Структура 2п-ВБР (а), спектр пропускания (б)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
ВКВО-2019- Радиофотоника
3000
1 ¿600 а 2400 i 2200 е 2000
Рис. 2. Зависимость длины центрального участка 2ж-ВБР структуры от адресной частоты
123456789 10 Адресная частота, ГГц
диаметром сердцевины 8,2 мкм, показателем преломления 1,4682, диаметром оболочки 125 мкм и показателем преломления оболочки 1,4500. Длины первого и третьего участков были приняты равными 1999,84 мкм, а период решетки 0,52836 мкм. Величина наведенного показателя преломления принята равной 0,0007 ед. Аподизация наведенного показателя преломления задана равномерной, форма штриха - прямоугольная. Длина среднего участка исследуемых 2п-ВБР структур изменялась от 2799,78 мкм до 1400,15 мкм, а адресные частоты лежат в диапазоне от 1,125 ГГц до 9,375 ГГц, что обеспечивает возможность использования таких структур в качестве чувствительного элемента адресной измерительной системы. Полученная зависимость представлена на рис. 2. На основе данных моделирования была построена аппроксимирующая кривая четвертого порядка, что позволяет сформировать профиль 2п-ВБР структуры с любой наперед заданной адресной разностной частотой между двумя фазовыми п-сдвигами.
На рисунке 3 представлена структурная схема системы опроса трех АВБС с различными адресами Q1, Q2 и Q3, две из которых служат для измерения деформации внешнего кольца подшипника, а третья - для учета температурных изменений [10]. Широкополосный источник - 1 формирует непрерывное лазерное излучение (диаграмма a), соответствующее диапазону измерений, которое проходит через оптоволоконный разветвитель - 9 и поступает на три АВБС - 2.1, 2.2 и 2.3. Каждая из трех АВБС пропускает двухчастотное излучение, которое суммируется в одно общее излучение (диаграмма b) с помощью оптоволоконного сумматора - 10. На
выходе с оптоволоконного сумматора формируется шестичастотное лазерное излучение (диаграмма c), которое проходит через оптоволоконный разветвитель - 6. Разветвитель делит оптический сигнал на два канала -измерительный и опорный для контроля мощности. В измерительном канале установлен наклонный фильтр с известной линейной характеристикой в амплитудно-частотной плоскости - 3, модифицирующий амплитуды шестичастотного излучения в асимметричное излучение (диаграмма d), после чего сигнал поступает на измерительный фотоприемник - 4 и принимается на измерительный АЦП - 5. Сигнал с АЦП - 5 методом частотной (аналоговой или цифровой) фильтрации служит для определения положения АВБС. В опорном канале сигнал (диаграмма e) поступает на опорный фотоприемник контроля мощности входного оптического сигнала - 7 и принимается на опорный АЦП - 8. Анализ сигнала ведется на основе отношения мощностей в измерительном и опорном каналах, таким образом достигается нормировка интенсивности выходного сигнала.
Заключение. Использование АВБС с двумя симметричными фазовыми п-сдвигами в качестве чувтсвительных элементов ВОСС позволяет значительно уменьшить стоимость измерительной системы, поскольку в этом случае не требуется установка оптического интеррогатора в системе опроса, а также сохранить все преимущества, присущие волоконно-оптическим датчикам, такие как малые габариты и вес, нечувствительность к электромагнитным воздействиям и отсутствие систем питания. Компьютерное моделирование 2п-ВБР подтверждает возможность получения таких структур с требуемым оптическим откликом и наперед заданной адресной частотой, пригодных к применению в системе измерения деформации подшипника ступицы колеса.
Литература
Cheli, F., et al, SAE Tech. Paper 2Oll-Ol-OOOO (2Oll) Roveri, N, Pepe, G., Carcaterra, A., Mech. Syst. and Sign. Proc. (2Ol5) Pohl, A., Steindl, R., and Reindl, L., IEEE Trans. on Instr. and Meas. 4S, lO4l-lO46 (lOOO) Suzuki, M, et al, SAE Tech.. Paper-. 2OO7-Ol-OS3O (2OO7) Ohkubo, N, et al, SAE Tech. Paper 2OO7-Ol-OS67 (2OO7)
Ono K., Takizawa T., and Aoki M,, Appl. PCT/JP2OO7/O54725; Publ. no: EPl9055SO (Al), D. of Pat.: 26.ll.2OOS
Kerst, S., Shyrokau, B, Holweg, E., Proc. of EuroBrake2Ol5, Dresden, Germany, 4-в May 2Ol5 (2Ol5) Sakhabutdinov, A.Zh., Morozov, O.G. Morozov, G.A., Adv. Tech. of Quant. Key Distr. (2OlS) О. Agliullin, T.A., et al, 2OlO Syst. of Sign. Gen. and Proc. in the Field of on Board Com. l-5 (2OlO) lO. Sahabutdinov, A.Zh.., Eng. J. ofDon 3 (2OlS)
c^n— d
-an—
e 7 8
Рис. 3. Схема системы опроса 2п-ВБР
88
№6 2G19 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2G19» [email protected]
