CC BY
34
Министерство образования и науки РФ
Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет
АадижУ{%шсж
ТРУДЫ
МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
II то^
ПЕНЗА 2015
УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78
Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:
T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.
Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.
Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.
Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015
УДК 681.586.5
Рубцов1 И.С., Гориш2 А.В.,Мурашкина3 Т.И., Савочкина3 М.М.
гФГУП «НПО "Техномаш"», Москва, Россия
2ОАО «Институт подготовки кадров машиностроения и приборостроения», г.Москва, Россия 3ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ВЫВОД ФУНКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АТТЕНЮАТОРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ
При финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ ведущей научной школы РФ «Волоконно-оптическое приборостроение»
При финансовой поддержке РФФИ в форме гранта 15-08-02675
В работах [1, 2] предложена новая конструкция волоконно-оптического датчика разности давлений (ВОДРД). Одно из основных преимуществ ВОДРД с применением аттенюаторов - это возможность дифференциального преобразования оптических и электрических сигналов, позволяющего существенно улучшить метрологических характеристики датчика.
Для оптимизации его технических характеристик необходимо рассмотреть его структурную организацию и вывести функцию преобразования.
По виду входных и выходных сигналов интерфейса, соединяющего датчики с внешней регистрирующей аппаратурой, ВОДРД делят на два типа: с электрическим и оптическим интерфейсами [3]. В первом случае ВОДРД состоит из волоконно-оптического преобразователя разности давлений (ВОПРД) и блока преобразования информации (БПИ) (рисунок 1).
--------------------------водрд
I I I_________________________I
Рисунок 1 - Блок-схема разработанного волоконно-оптического датчика разности давления
Во втором случае ВОДРД представляет собой собственно ВОПРД, входные и выходные сигналы которого оптические.
ВОПРД, в свою очередь, состоит из чувствительного элемента ЧЭ, волоконно-оптического кабеля ВОК и согласующего устройства СУ. ЧЭ предназначен для преобразования измеряемой разности давлений в изменение интенсивности светового потока, ВОК - для передачи светового потока от источника излучения в зону измерения и обратно к приемникам излучения на расстояния от 2 до 200 м, СУ - для электрооптического и фотоэлектрического преобразования сигналов датчика. ВОК представляет собой жгут подводящих (ПОВ) и отводящих (ООВ) оптических волокон. БПИ служит для питания элементов СУ и преобразования электрического сигнала с выхода СУ в стандартный электрический сигнал (например, 0 - 6 В). СУ состоит из источника (ИИ) и приемников излучения ПИ1 и ПИ2 первого и второго измерительных каналов соответственно, выполняющих функцию электрооптического и фотоэлектрического преобразователей соответственно. СУ и БПИ в этом случае располагаются в отсеках с повышенной защитой космических аппаратов, в том числе и от радиации.
Разработана обобщенная структурная схема дифференциального ВОДРД аттенюаторного типа с электрическими входными и выходными сигналами (рисунок 2).
ВОПРД - волоконно-оптический преобразователь разности давления; ИИ - источник излучения; 2 -сумматор; ПОВ - подводящее оптическое волокно; ООВ1, ООВ2 - отводящие оптические волокна первого и второго измерительных каналов соответственно; Д - делитель; ПИ1, ПИ2 - приемники излучения; ВУ
- вычитающее устройство; ВОК - волоконно-оптический кабель Рисунок 2 - Структурная схема дифференциального ВОДРД аттенюаторного типа с электрическими входом
и выходом
ВОДРД работает следующим образом. Часть светового потока источника излучения Фо' по подводящему оптическому волокну ПОВ подается в зону измерения. Превышение «плюсового» давления над «минусовым» вызывает деформацию мембран, в результате чего появляется смещение отверстия аттенюатора (штока). В соответствии с заложенным в дифференциальном аттенюаторе алгоритмом происходит преобразование оптического сигнала Ф0. Часть оптического излучения Ф^ЙР) поступает в отводящее оптическое волокно ООВ1 первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф2 (ЙР) - в отводящее оптическое волокно ООВ2 второго измерительного канала. По ООВ1 и ООВ2 световые потоки направляются на приемники излучения ПИ1 и ПИ2, соответственно. Приемники излучения ПИ1 и ПИ2 преобразуют оптические сигналы Ф1(ЙР) и Ф2'(ЙР) в электрические сигналы 11(ЙР) и 12 (ЙР), соответственно, которые далее поступают на вход блока преобразования информации БПИ. В БПИ осуществляется операция суммирования и вычитания сигналов 11(ЙР) и 12 (ЙР), а затем - операция деления разности сигналов на их сумму: [11(ЙР) - !2(йР)]/[!1(йР) + 1-2 (ЙР)].
Данный алгоритм преобразования БПИ позволяет в два раза повысить чувствительность преобразования датчика, компенсировать изменения мощности излучения светодиода и интегральной токовой чувствительности приемников излучения при изменении температуры окружающей среды, уменьшить дополнительные погрешности, обусловленные воздействиями внешних факторов, а также неинформа-
t;ir
k—Н
тивными потерями светового потока при изгибах оптических волокон [2].
Ввиду того, что в разрабатываемых датчиках используются многомодовые оптические волокна, распространение оптического сигнала в которых достаточно точно подчиняется законам геометрической оптики [3], соответственно, общий вид функции преобразования ВОДРД с достаточной степенью точности может быть получен на основе законов геометрической оптики.
Модель функции преобразования ВОДРД представляет собой зависимость тока приемника излучения I от измеряемой разности давления ЙР и множества внешних факторов
1(ЙР, = рииЛ(^)Ф(Йр, ^)5пи, (1) где РИИ - мощность светового потока ИИ; п -коэффициент спектрального согласования элементов ВОДРД; Ф(ЙР, - функция преобразования ВОПРД; БПИ - интегральная токовая чувствительность ПИ.
В общем случае:
Ф(ЙР, = кис(^)кш(^)кж(Йр, & Фо, (2) где КИС(^) КСП(^) - коэффициенты преобразования оптических трактов "источник излучения ИИ -подводящее оптическое волокно ПОВ" и "отводящее оптическое волокно ООВ - приемник излучения ПИ" соответственно; КИП(ЙР, - функция преобразо-
вания ВОПРД.
Упрощенная конструктивная схема ВОПМП с дифференциальным аттенюатором с круглым отверстием и его расчетная схема приведены на рисунках 3 и 4 соответственно [1 - 3].
Фу
Z
ПОВ 2
о--;.
м
Ьф < >
i
-В-' е..
_ - -г
Ж
F
Л
хюв 3
А-А
Л
X
Rmiraju Квтт
ООВ 4
Рисунок 3 - Расчетно-конструктивная схема дифференциального аттенюаторного ВОПМП в составе ВОПРД
ВОПМП содержит аттенюатор 1 толщиной Сат с круглым отверстием, расположенный на расстоянии 1 относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ 2, и отводящие оптические волокна ООВ 3 и 4 первого и второго измерительных каналов, расположенные на расстоянии э от ООВ.
Функция преобразования Ф(2) ВОПМП с предельным аттенюатором с круглым отверстием имеет вид:
Ф(2) = Ко КДт(^)Фо, (3)
где Ко - коэффициент, характеризующий распределение освещённости в зоне измерения;
КАТ - коэффициент передачи тракта «подводящее оптическое волокно ПОВ - аттенюатор - отводящее оптическое волокно ООВ»; Ф0 - начальный световой поток на выходе ПОВ.
Для целенаправленного управления поведением функции преобразования необходимо, чтобы коэффициент К0 был равен 1. Для этого аттенюатор располагается в зоне с равномерным распределением светового потока по поверхности поперечного сечения [3].
Очевидно, что при К0=1 поведение функции преобразования Ф(2) будет оцениваться по поведению функции передачи оптического канала, т.е. коэффициента КАТ(2):
Кат (2) = КАТ1 (2) КАТ2 . (4)
При коаксиальном расположении ПОВ и ООВ
п/2
Кат1 ( z)
Zl
Z^ s
i=1 SC
Z SZi
i=1
nSr
Ка
nS,
С
2S,
(5)
JC A-A
где n - количество ООВ; SZi - освещенная часть поперечного сечения сердцевины ООВ; SC - площадь поперечного сечения сердцевины ОВ; SA-A -площадь поперечного сечения светового потока в плоскости А-А расположения приемных торцов ООВ.
В соответствии с рисунком 4:
SА-А = nR ВНЕШ - nR ВНУТ
где рвнеш, рвнут
соответственно,
(6)
внешний и внутренний диаметры, поперечного сечения светового
потока в плоскости А-А расположения приемных торцов ООВ;
^ВНЕШ = doB + Гс; RBHyT = d0B f
где d0B - диаметр ОВ; rC - радиус сердцевины ОВ. Соответственно,
Sa-А = nrC (2doB + rC), (7)
т.е. определяется параметрами выбранного оптического волокна.
Подставив выражения (5) и (7) в (4), получим
n/2 n/2
2 SZi 2 SZi
Кат (Z) = -=-- . (8)
2S.
lnrc{ld ов + rc)
00B1(I) ,,--•*
OOBl(II)
OOB2(I)
OOB3<7)
OOB3(II)
OOB2(II)
Рисунок 4 - Расчетная схема аттенюаторного ВиПМП
Площадь сечения SZi зависит от смещения шторки в направлении Z.
Найдем в качестве примера SZi для 00B3:
SZ3 = S13 + S23 .
Площадь SZ3 представляет собой сумму площадей двух круговых секторов S13 и S23, образованных взаимным пересечением двух окружностей: радиусом rC, равным радиусу сердцевины 0B, и радиусом RCn, равным радиусу светового потока, прошедшего через отверстие в шторке в плоскости расположения приемных торцов 00B.
Причем RCn = Ltg0NAf где L - расстояние между излучающим торцом n0B и плоскостью, в которой расположены приемные торцы 00B; @ш - апертур-ный угол 0B.
Расстояние L выбирается таким образом, чтобы световой поток в плоскости А-А полностью перекрывал торцы 00B в нейтральном положении аттенюатора (при Z = 0). Из треугольника MNF L = d0B/tg©AAf
тогда
Rcn = d0B. (9)
B соответствии с рисунком 4
Sz:
rL(na - sin а) + ^c^ni - sin Л). (10)
2 180 3 " 10" 3
Rn Ж 2 180
Но
2 2 rn
в
2 2 R
Тогда
2arcsin—— , в3 = 2arcsin 2rr.
2Rcn
С учетом выражений (9)
S = rcL Sz 3 = 2
(--arcsin—— - sin(2arcsin——)
90
2r
2rP
R
(--arcsin
- - sin(2arcsin
По имеем
90 2R,n
аналогии с определением SZ:
2R
(12)
(13)
1сп
находим SZ
S = rc. Szi= 2
n . a, . . a,
(--arcsin—-— sin(2arcsin——)
90 2r 2r
R
(--arcsin—-—
90 2Rcn
- sin(2arcsin
2R
)
(14)
где 1 = 1, ..., п;
п - количество отводящих оптических волокон.
Как видно из выражений (12) и (14), они отличаются параметрами а1. Найдем параметры а1.
В качестве примера найдем а3(1) третьего ООВ первого измерительного канала ООВ3(1) (волокна расположены выше оси У) [3].
Из треугольника А3О3(!)О2
a
з
; 12) для S* получим
3
ветственно; NA
аз
А3В3
=2,
rc -
D
г2 - R2
'C -"-СП
2 D
где D3 = 0з(!) 0Z. Из треугольника 02(I)03(I)0Z
D3
v(rсп + zii + «сп -2rcn(rСП + Zi)cosY ,
(15)
(16)
где 2± - смещение шторки вдоль оси 2; у = 360°/п.
По аналогии с определением а3 и Р3 находим а± и В±, где 1 = 1, . . . , п, где п - количество отводящих оптических волокон, имеем
г2 - R2
'c -"-сп
2D
(17)
В общем случае, когда имеется п ООВ, расположенных на одинаковом расстоянии относительно оптической оси, расстояние 11(1) первого измерительного канала для волокон, расположенных выше оси У, рассчитывается по формуле (18), а
для волокон второго измерительного канала, положенных ниже оси Y, - по формуле (19).
2 2 360° di(l)=j(ясп + Z)2 + -сп -2-сп(-сп + Z)cos-
Di (II) = J(RCп -Z,.)2 + Д2П -2Rcп(-«СП -Z,.)cos-60
рас-
(18)
(19)
n
Для частного случая, когда имеем два ООВ, расположенных на одинаковом расстоянии относительно оптической оси (в центре расположено третье технологическое волокно, обеспечивающее симметричность конструкции кабеля), формулы (18) и (19) примут вид:
Di (I) =
V(Rcn + z,)2 + -СП -2Rcn(Rcn + Zi)cos180°
v(-cn - z
(20)
В1(11) = ^ (Ясп - г,.)2 + ЯСп - 2RCП (Л сп - г,. ,180 (21) Окончательно определены функции преобразования первого и второго измерительных каналов электрического ВОДРД соответственно:
II (ЛР) = РииЛ1(^)5пи1Фо1{{*у[(п + 1)/2]ЫЛ2}/2п Гс (2doв + гс)}Х
n/2
xi
i=1
п a
arcsin
A
90
2r
(
- sin
A'
2arcsin-
2r
Rn
п 0
—arcsin—'■ 90 2RR
(
2arcsin-
2Rcn
(22)
12(йР) = Рии-^а^! (2dcB + Гс) }x
•П,
'ПИ2 Ф02{{*у[(п + 1) / 2 ] NA2}/2n
xl
'C
п a
- arcsin -
90
2r
/
2arcsin-
—arcsin—— 90 2R
-sin
2r
2arcsin-
2Rcn
(23)
где 11(ЛР),
первого и в
I2 (йР)
торого
- ток приемников излучения измерительных каналов соот-
числовая апертура; Рии - мощность светового потока ИИ; П1(^),Л2(^) - коэффициенты спектрального согласования элементов первого и второго измерительных каналов ВОДРД; 5ПИ1, Япи2 - интегральная токовая чувствительность первого и второго приемников излучения соответственно.
В выражениях (22), (23) параметры а± определяются выражением (17), В± - выражениями (20), (21), Рсп - выражением (9).
При обработке сигналов ВОДРД для улучшения метрологических характеристик целесообразно сформировать на выходе датчика отношение сигналов. В этом случае наблюдается и удвоение чувствительности преобразования, и линеаризация выходной зависимости, и снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов ВОК, изменения мощности излучения источника излучения и чувствительности приемника излучения. Поэтому в разрабатываемом датчике осуществляется именно такое преобразование сигналов.
Измерительные каналы датчика изготавливаются идентичными друг другу, поэтому ~ П2(^),
5пи1 ~ ^ПИ2 , Ф01 ~ Ф02 , кУ1 = кУ2 .
Так как во всем датчике используются оптические волокна одного типа, то параметры а±, РсП, ЫЛ, doВ, гс одинаковы для обоих каналов.
С учетом вышесказанного, окончательно имеем [11(ЛР) -12 (ЛР)]/[11(ЛР)+12 (ЛР)]={
I
rC
90
2r
п ■ 0(1 I - К ■ ап ■arcsin—— I - sinI 2arcsin—-
Rn
i1
п а
—arcsin 90 2R
2r
- sinI 2arcsin-
2Rcn
n/2
-I
i=1
n/2
II
i=1
п . а -arcsin-
90
2r
-sin
2arcsin—1— 2r
«СП
f
i2
п а
—arcsin 90 2R
-sin
2arcsin-
( -rr а \
п . a —arcsin
90 2r
i
rc У
-sin
2arcsin 0
2Rcn
V
I }/{
2r
c У
R
СП
У
—arcsin 90 2R
(
-sin
СП У
2arcsin-
2R
СП У
Г2 rc
n/2 2
I
i=1 R
п аг
-arcsin-
90
2r
90
2R
2arcsin—--
2r
2arcsin-
где Di -(9).
параметры aj^ выражениями
определяются (20), (21),
2Rcn
выражением (17), РСП - выражением
ЛИТЕРАТУРА
1. Рубцов И.С., Конструктивно-технологические особенности волоконно-оптического датчика разности давлений аттенюаторного типа/ И.С. Рубцов, Т.И. Мурашкина, Д.И. Серебряков, Е.А. Бадеева и др. // Датчики и системы. - 2015. - № 3. - С. 30-33.
2. Трусов В.А. Однопозиционный модуль управления шаговым двигателем / Трусов В.А., Кочегаров И.И., Горячев Н.В., Юрков Н.К. // Теоретические и прикладные аспекты современной науки. 2015. № 7-3. С. 131-133.
3. Пол.реш. по заявке на изобретение № 2 013102403/20 (003277) от 17.01.2013 Дифференциальный волоконно-оптический датчик разности давления / Т.И. Мурашкина, А.Г. Пивкин, Л.Н. Коломиец, Д.И. Серебряков, Е.А. Бадеева, В.И. Лапшин.
4. Шибанов С.В. Обзор современных методов интеграции данных в информационных системах / Шибанов С.В., Яровая М.В., Шашков Б.Д., Кочегаров И.И., Трусов В.А., Гришко А.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. I. С. 292-295.
5. Пивкин А. Г., Мурашкина Т. И. Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для космической техники: Монография. - Пенза: Издательский центр ПГУ- 2005. - 150с.
2
а
r
i=1
i=1
