WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«Бабаев Орхан Гаджибаба оглы БЕСКОНТАКТНЫЕ МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ РЕГУЛИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ ...»

На правах рукописи

Бабаев Орхан Гаджибаба оглы

БЕСКОНТАКТНЫЕ МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ РЕГУЛИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ

05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2017

Работа выполнена на кафедре автоматических систем энергетических установок в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» (Самарский университет) .

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Матюнин Сергей Александрович .

Официальные оппоненты:

Буймистрюк Григорий Яковлевич, доктор технических наук, генеральный директор ООО «Сенсорное приборостроение «Интел-Системы»;

Кузнецов Павел Константинович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электропривод и промышленная автоматика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный технический университет» .

Ведущая организация:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа .

Защита диссертации состоится 22 декабря 2017 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.05 на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени С.П.

Королва»:

http://www.ssau.ru/resources/dis_protection/babaev/ .

Автореферат разослан«____» ______________ 2017 г .

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент С.В. Востокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день в области ракетнокосмической техники существует острая необходимость в создании датчиков контроля положения и управления регулирующих элементов (РЭ) пневмогидравлических систем (ПГС) ракет-носителей (РН), работающих в широком диапазоне температур (от минус 196 до + 80°С). Так, например, для РН типа «Союз» существует необходимость контроля и управления клапанами 18 различных типов агрегатов. При этом датчики должны удовлетворять ряду требований, таких как: бесконтактность измерения (отсутствие механического контакта с контролируемым элементом); неэлектрический способ измерения (взрывоопасная рабочая среда); герметичность (без доступа во внутреннюю среду РЭ и без нарушения его целостности); использование закрытого измерительного канала (защита измерительного канала датчика от загрязнения внешней средой); работоспособность в агрессивной среде окислителя (жидкий кислород); широкий диапазон рабочих температур (минус 196…+80°С) и ряд др .





Современные волоконно-оптические методы и средства измерений сформировались на базе исследовательских работ и изобретений известных российских и зарубежных ученых: Буймистрюк Г.Я., Гречишников В.М., Конюхов Н.Е., Матюнин С.А., Носов Ю.Р., Окоси Т., Рандошкин В.В., Удалов Н.П., Удд Э., Ураксеев М.А., Харитонов Н.А., Хлыбов А.В. и др. Однако в известных работах не получили достаточного отражения вопросы повышения точности и стабильности бесконтактных волоконно-оптических преобразователей перемещения (БВОПП), что препятствует их применению в качестве датчиков контроля положения и управления РЭ ПГС для криогенных условий эксплуатации .

Разработкой и производством волоконно-оптических датчиков занимается большое число российских и зарубежных производителей: ЗАО «Сенсор» (г .

Екатеринбург); Научный центр волоконной оптики Российской академии наук (НЦВО РАН) (г. Москва); ООО "Инверсия–Сенсор" (г. Пермь); ООО "Инновационное предприятие "НЦВО – Фотоника" (г. Москва); ООО "Научно-Производственная Компания "Оптолинк" (г. Зеленоград); ООО "Сенсорное приборостроение "ИнтелСистемы" (г. Санкт-Петербург); Adamant Co., Ltd. (Япония); Advanced Optics Solutions GmbH (Германия); Micron Optics Inc. (США) и др. Промышленно выпускаемые волоконно-оптические датчики в большинстве случаев используют в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) волоконные решетки Брэгга, волоконные торцевые резонаторы Фабри-Перо и Физо, магнитооптическое чувствительное волокно и датчики с микроизгибами оптического волокна. Однако перечисленные датчики не удовлетворяют всему комплексу предъявляемых к ним требований, в частности по бесконтактности, закрытости оптического канала, криогенным условиям эксплуатации и др .

Как показывает проведенное литературно-патентное исследование и анализ в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют БВОПП с закрытым оптическим каналом, основанные на магнитооптическом эффекте, которые не требуют взрывозащищенного исполнения, так как не содержат электрических компонент. Такие датчики позволяют производить измерения без доступа во внутреннюю среду клапана, осуществляя их монтаж снаружи на кожух клапана. В диссертации рассматриваются БВОПП на основе магнитооптического эффекта Фарадея в пленках железо-иттриевого граната (ЖИГ), выращенных методом жидкофазной эпитаксии. Данные пленочные структуры имеют высокую чувствительность к магнитному полю, варьируемую в широких пределах технологией изготовления, при незначительной длине оптического пути, определяемой толщиной пленки ЖИГ. Это позволит обеспечить измерение при установке БВОПП с внешней стороны клапана положения (перемещения) тарели клапана, ее перекоса и вибрации .

Область исследований – бесконтактные волоконно-оптические преобразователи перемещения регулирующих элементов пневмогидравлических систем на основе магнитооптического эффекта Фарадея .

Объект исследований – методы и технические средства улучшения эксплуатационных характеристик волоконно-оптических преобразователей перемещения регулирующих элементов пневмогидравлических систем .

Цель и задачи работы – повышение точности и стабильности бесконтактных волоконных магнитооптических преобразователей перемещения регулирующих элементов пневмогидравлических систем .

Для достижения поставленной цели потребовалось решение основных задач:

1) анализ существующих преобразователей, пригодных для бесконтактного измерения положения РЭ пневмогидравлических систем;

2) разработка конструкций чувствительных элементов и вторичных электронных преобразователей (ЭП) БВОПП;

3) уточнение существующих и разработка новых моделей конструкций и процессов в БВОПП;

4) разработка методики линеаризации и температурной стабилизации функции преобразования (ФП) БВОПП;

5) проведение анализа погрешностей БВОПП;

6) экспериментальное исследование БВОПП и их элементов .

Научная новизна работы:

1) разработан комплекс аналитических выражений, описывающих энергоинформационные преобразования в БВОПП с учетом особенностей изменения пространственного распределения магнитного поля и изменения поляризации оптического излучения в чувствительном элементе (ЧЭ) БВОПП при изменении положения РЭ, а также изменение поляризационных и температурных параметров элементов БВОПП;

2) разработана методика расчета профиля подвижного магнитопровода чувствительного элемента БВОПП, обеспечивающая снижение нелинейности ФП до величины 0,32%;

3) разработана методика линеаризации и температурной стабилизации ФП, основанная на калибровке ЧЭ в пространстве двух переменных – температуры и положения подвижного элемента, кусочно-плоскостной аппроксимации калибровочной функции и вычислении функции обратной ФП, что позволяет дополнительно снизить нелинейность ФП до величины 0,01% и уменьшить дополнительную температурную погрешность до величины 0,56% в широком диапазоне температур (от минус 196 до + 80°С) .

Теоретическая значимость диссертации заключается в разработке уточненных математических моделей БВОПП, что позволило снизить (в 8 раз) погрешность моделирования характеристик БВОПП и расширить их область применения .

Практическая значимость диссертации заключается в создании действующих образцов БВОПП, в разработанных и изготовленных специализированных стендах для их исследования, в алгоритме и программе линеаризации и стабилизации ФП, в результатах моделирования и экспериментальных исследований процессов в БВОПП .

Методы исследования При решении задач для моделирования магнитостатических и оптических полей в БВОПП использовались метод эквивалентных схем, метод конечных элементов для численного решения дифференциальных уравнений, пакеты программ «Flex PDE», «Scilab»; при разработке конструкций БВОПП - «Компас-3D», при анализе погрешностей - положения теории погрешностей .

Положения, выносимые на защиту:

1) комплекс аналитических выражений, описывающих энерго-информационные преобразования в БВОПП;

2) методика расчета профиля подвижного магнитопровода ЧЭ;

3) методика линеаризации и температурной стабилизации ФП;

4) алгоритм и программа линеаризации и стабилизации ФП;

5) результаты моделирования и экспериментальных исследований процессов в БВОПП .

Степень разработанности темы Литературно-патентный анализ показал, что наиболее пригодными для разработки БВОПП для пневмогидравлических систем РН являются бесконтактные волоконно-оптические датчики (ВОД) магнитного поля на магнитооптическом эффекте. Однако, на данный момент отсутствуют комплексные исследования, разработки и серийный выпуск БВОПП. Существующие математические модели ВОД магнитного поля не учитывают: распределение интенсивности оптического излучения и нормальной составляющей напряженности магнитного поля по сечению магнитооптического элемента (МОЭ); влияние поляризационных искажений, вносимых элементами волоконно-оптических линий связи (ВОЛС); поглощение в оптических элементах БВОПП; влияние температуры на параметры оптических элементов БВОПП. Указанные недостатки не позволяют: осуществить разработку и оптимизацию параметров БВОПП; разработать методы линеаризации и стабилизации функции преобразования БВОПП; провести анализ погрешностей БВОПП .

Степень достоверности и апробация результатов работы Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов экспериментальных исследований и моделирования (расхождение результатов не превышает 5-8%), а также публикациями в рецензируемых научных журналах и обсуждением на международных научно-технических конференциях. Полученные результаты не противоречат известным положениям фундаментальной науки .

Результаты работы доложены на международных и всероссийских конференциях: Международной научно-технической конференции «Dynamics and Vibroacoustics of Machines (DVM2014)» (г. Самара, 2014 г.); Международной научнотехнической конференции «The 22nd International Congress on Sound and Vibration (ICSV22)» (Италия, г. Флоренция, 2015 г.); Международной научно-технической конференции «Dynamics and Vibroacoustics of Machines (DVM2016)» (г. Самара, 2016 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Российская робототехника .

Формирование профессионального сообщества в области развития робототехники, искусственного интеллекта» (г. Магнитогорск, 2016 г.); Международной научнотехнической конференции «2017 International Conference on Aerospace Technology, Communications and Energy Systems (ATCES2017)» (г. Самара, 2017 г.) и др .

Публикации. По результатам диссертационных исследований и разработок опубликовано 16 работ, в том числе 7 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК России, и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ .

Реализация результатов работы. Изготовленные образцы и результаты исследований БВОПП используются в: Акционерном обществе «Ракетно-космический центр «Прогресс» для разработки систем контроля и управления ПГС ракет-носителей;

в учебном процессе в курсовом и дипломном проектировании, в составе лабораторных стендов «Исследование бесконтактных волоконно-оптических датчиков перемещения»

при подготовке бакалавров по образовательной программе «Мехатронные и робототехнические комплексы» кафедры АСЭУ Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королва; в составе демонстрационного стенда «Выставочный стенд для демонстрации волоконнооптических сенсоров контроля состояния исполнительных органов автоматизированных систем взрывоопасных объектов», находящегося в выставочном зале Самарского университета; при разработке элементов информационноинтегрированной системы для контроля усилия и положения захватов робота на основе волоконно-оптических датчиков с закрытым оптическим каналом для систем автоматического управления автономными роботизированными платформами наземного, воздушного и космического базирования. Получено два акта внедрения (АО РКЦ «Прогресс», учебный процесс Самарского университета) .

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Уникальный идентификатор: Прикладные исследования и экспериментальные работы RFMEF157816X0209 .

Личный вклад автора. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором лично, либо при его определяющем личном участии. Техническая реализация и экспериментальные исследования проведены совместно с сотрудниками НИЛ-53 Самарского университета .

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, выводов, списка литературы и четырех приложений. Работа изложена на 160 страницах, включая 70 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 114 наименований .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследований, приведены положения, выносимые на защиту, дана краткая характеристика диссертационной работы .

В первой главе проведен литературно-патентный обзор и дана классификация датчиков, устройств и способов реализации БВОПП, потенциально пригодных для контроля положения и перемещения РЭ пневмогидравлических систем РН. Приведены наиболее характерные варианты реализации чувствительных элементов БВОПП .

Оценена возможность их применения. Рассмотрены математические модели поляризационных датчиков магнитного поля одно- и многопроходных конструкций на основе магнитооптического эффекта Фарадея в пленках ЖИГ, удовлетворяющих требованиям бесконтактности, электронейтральности, закрытости измерительного канала, герметичности, работоспособности в агрессивной среде окислителя и в широком диапазоне температур. Определены недостатки существующих математических моделей БВОПП.

Показано, что существующие модели не учитывают:

распределение интенсивности оптического излучения и проекции вектора напряженности магнитного поля на направление распространения оптического излучения по сечению МОЭ; влияние поляризационных искажений, вносимых элементами ВОЛС; поглощение в оптических элементах БВОПП; влияние температуры на параметры оптических элементов БВОПП. Указанные недостатки существующих моделей не позволяют:

осуществить разработку и оптимизацию параметров БВОПП; разработать принципы построения БВОПП и провести их анализ;

разработать методы линеаризации и стабилизации ФП; провести анализ погрешностей БВОПП; разработать способы «деполяризации» и компенсации поляризационных искажений, вносимых элементами ВОЛС. Приводится компоновка БВОПП на клапане ПГС РН, лишенного Рисунок 1 – Схема компоновки БВОПП на клапане ПГС РН указанных недостатков (рисунок 1) .

Вторая глава посвящена моделированию и оптимизации БВОПП регулирующих элементов ПГС РН. Рассмотрены и проанализированы варианты реализации структурных схем БВОПП, особенности организации цепей стабилизации характеристик БВОПП. Выявлено, что с точки зрения эффективности стабилизации характеристик БВОПП наиболее целесообразна для реализации дифференциальная схема с локальными и общим каналами стабилизации (рисунок 2). Здесь источник излучения - лазерный диод (ЛД) охвачен локальной цепью стабилизации (источник опорного напряжения, следящий усилитель, фотодиод обратной связи - цепь стабилизации оптического потока ЛД, и источник опорного напряжения, следящий усилитель, датчик температуры ЛД, элемент Пельтье - цепь стабилизации температуры ЛД). Общая цепь стабилизации осуществляется следующим образом. Излучение ЛД с помощью делителя оптического излучения делится в соотношении 50/50 % для двух измерительных каналов и поступает через волоконно-оптические линии связи (ВОЛС1-1, ВОЛС2-1) на два чувствительных элемента (ЧЭ1, ЧЭ2), размещенных в одном корпусе для обеспечения идентичности условий измерения. Входным оптическим сигналом является перемещение подвижного элемента относительно чувствительных элементов. Выходные оптические сигналы ЧЭ1, ЧЭ2 по ВОЛС1-2, ВОЛС2-2 поступают на фотоприемники вычислительно-управляющего устройства (ВУУ). ВУУ обрабатывает полученную информацию, формирует выходной сигнал БВОПП и осуществляет коррекцию режима работы ЛД изменением величины опорного напряжения следящего усилителя. При необходимости ВУУ изменяет коэффициенты усиления входных усилителей, что позволяет расширить динамический диапазон изменения регистрируемых оптических сигналов. Показано, что для такой структуры достижима величина дополнительной температурной погрешности порядка 0,56% в диапазоне температур от минус 196 до + 80 С .

В диссертации разработана и проведена оптимизация конструкции чувствительного элемента БВОПП Рисунок 2 – Структурная схема дифференциального БВОПП с торцевого типа (рисулокальными и общим каналами стабилизации нок 3). ЧЭ состоит из немагнитной (1) и магнитной (2) частей корпуса, внутри которых расположены две втулкимагнитопровода (3), содержащие излучающую (4), приемную линзы и МОЭ (6), расположенные напротив оборачивающей призмы Порро с нанесенными на катетные грани металлизированными зеркалами (7) .

Рисунок 3 – Конструкция чувствительного элемента Соосность оптического волокна, через БВОПП торцевого типа которое вводится и выводится оптическое излучение из ЧЭ, и градиентной линзы обеспечивается феруллами (5) .

Элементы ЧЭ соединяются оптическим компаундом и фиксируются гайкой (8) .

В диссертации разработан комплекс аналитических выражений, описывающих энерго-информационные преобразования в БВОПП (обобщенная математическая модель БВОПП), включающая в себя системы уравнений для определения пространственного положения тарели клапана ПГС; для учета распределения магнитного поля в ЧЭ; для учета распределения светового потока в ЧЭ; уравнения для моделирования влияния поляризационных характеристик элементов БВОПП, в т.ч .

ВОЛС, на функцию передачи БВОПП; систему уравнений для конструктивной линеаризации и программно-алгоритмической калибровки, линеаризации и температурной стабилизации характеристик БВОПП .

Система уравнений (1) для определения пространственного положения тарели клапана учитывает смещение края тарели при ее наклоне и позволяет определять высоту и угол наклона тарели по показаниям шести чувствительных элементов БВОПП: (рисунок 4). В (1) приняты следующие,,,,, обозначения: - результаты измерений шести ЧЭ;,, –,,,,, геометрические параметры конструкции; – полупериметр треугольника,

– смещение края тарели в системе координат – высота края тарели по ;

оси Z; – номер оси; – длина перпендикуляра, опущенного из начала координат O на плоскость тарели. Знак перед корнем выбирается так, чтобы, если | | соблюдалось условие, то знак выбирается произвольно. Каждая пара чувствительных элементов БВОПП и и и,, определяет координаты тарели в частных двумерных системах координат,, соответственно (рисунок 4а). На рисунке 4б для примера рассмотрен случай определения положения а б тарели в плоскости Рисунок 4 – Определение координат тарели клапана при. Здесь – радиус двухуровневом расположении ЧЭ: (а) пространственное расположение тарели, – радиус ЧЭ; (б) расположение ЧЭ в плоскости кольца с чувствительными элементами БВОПП, – фиксированное расстояние между двумя ЧЭ, расположенными друг над другом, – нормаль к плоскости тарели .

, При наклоне тарели отрезок ее плоскости, переходит в положение. При этом изменяются: зазор между краем тарели и ЧЭ, прежняя координата края тарели по оси и высота края тарели. ЧЭ определяет расстояние до точки по прямой, – расстояние до точки по прямой .

|| || ( ) ( ) || || ( ) ( ) || | | || || || | | || || { Показано, что расположение элементов системы подмагничивания БВОПП оказывает существенное влияние на функцию преобразования ЧЭ. В диссертации рассматриваются и анализируются основные варианты установки элементов подмагничивания и ЧЭ - осевая и поперечная компоновки элементов БВОПП. При поперечной компоновке (рисунок 5 а, б) элементы системы подмагничивания закреплены на ферромагнитом кольце К2. ЧЭ D вворачиваются в кольцо К2. Линии магнитного поля замыкаются между магнитами и датчиками через ферромагнитное кольцо К1 и воздушный промежуток между ними. При перемещении кольца К1, установленного на тарели клапана, изменяются магнитные сопротивления воздушных промежутков ЧЭ - кольцо К1 и магнит - кольцо К1, в результате изменяется напряженность магнитного поля в зазоре ЧЭ и, следовательно, формируется выходной сигнал БВОПП, пропорциональный перемещению кольца К1. В диссертации анализируются варианты различной ориентации элементов системы подмагничивания с одинаковой ориентацией полярностей относительно кольца К1 (рисунок 5а) и чередующейся ориентацией полярностей (рисунок 5б). Показано, что паразитная магнитная связь между магнитами через кольцо К1 уменьшает чувствительность БВОПП. На рисунке 5 индексы N, S – северный и южный полюсы магнита соответственно, стрелками показаны силовые линии магнитного поля. Рассмотренные варианты представляют одноуровневую конструкцию БВОПП. Однако, согласно результатам моделирования, для устранения неоднозначности определения положения тарели, связанной со смещением края тарели при ее наклоне, необходимо ввести дополнительное кольцо с датчиками и магнитами, смещенное по вертикали (двухуровневая конструкция БВОПП). При этом ориентация магнитов в верхнем и нижнем кольце может быть разной. В случае осевого расположения элементов БВОПП магнитопровод с ЧЭ и магнитами имеет E-образную форму. В конструкции БВОПП (рисунок 5в) ферромагнитное кольцо К1 закреплено на тарели клапана и перемещается вместе с ней, между двумя разнополюсно расположенными магнитами установлен ЧЭ D. Силовые линии магнитного поля замыкаются через кольцо К1. БВОПП чувствителен к направлению перемещения тарели. В конструкции БВОПП (рисунок 5г) магнитное кольцо (постоянный магнит) закреплено на тарели клапана и перемещается вместе с ней. При перемещении тарели клапана изменяются напряженности магнитного поля в зазорах БВОПП и направления силовых линий магнитного поля .

–  –  –

* ( )+ * ( )+ ( )( ) { ( ) ( ) ( ) { В результате оптимизации конструкции ЧЭ определено, что наибольшая чувствительность обеспечивается при установке МОЭ с воздушным зазором 15…19 мм относительно неподвижного магнитопровода. При этом чувствительность ЧЭ увеличивается на 13,6 %, а ФП имеет близкий к линейному характер в диапазоне перемещений 5…27,5 мм .

Как показывает проведенное моделирование методом конечных элементов в программной среде FlexPDE рациональный профиль магнитного концентратора (рисунок 7, VVV-образная конструкция концентратора) обеспечивает наибольшее значение проекции вектора напряженности магнитного поля на направление распространения Z оптического излучения по сечению МОЭ, превосходя по данному параметру остальные варианты концентраторов на 34,4%. Для дифференциальной конструкции ЧЭ было определено, что чувствительность гиперболически убывает с увеличением зазора между ЧЭ и подвижным элементом .

Рекомендуемый зазор между ЧЭ и подвижным элементом 3…10 мм. Нелинейность ФП при этом составляет 8,5%.

Из условия линейности ФП (4):

и используя выражение (2) и дискретную модель ЧЭ, получено выражение (5) профиля подвижного магнитопровода (рисунок 8) .

–  –  –

( ) { где Rмп(х) – магнитное сопротивление горизонтальных элементов магнитопровода;

Rм – магнитное сопротивление магнита; Rв(х) – магнитные сопротивления воздушных промежутков между магнитом и МОЭ; Rз – суммарное магнитное сопротивление МОЭ и воздушных зазоров между МОЭ и магнитопроводом; R0 – магнитные сопротивления воздушных зазоров магнит – магнитопровод в точке х=0; R(x) – магнитное сопротивление воздушного зазора, соответствующее закону изменения (x);

Rс – магнитные сопротивления вертикальных элементов магнитопровода;

F – магнитодвижущая сила постоянного магнита; k – коэффициент преобразования светового потока в электрический сигнал фотопримником и усилителем фототока;

н – неизменяющийся зазор; xм – координата магнита; – интенсивность оптического излучения на входе оптической системы ЧЭ; B – постоянная Верде; l – длина МОЭ;

0 – угол между поляризатором и анализатором; µ0 – магнитная постоянная; rм – радиус магнита, 0 – начальный зазор между магнитом и магнитопроводом .

По результатам моделирования было определено, что относительная нелинейность ФП (при максимальном перемещении подвижного штока 0…50 мм) для БВОПП с профилированным подвижным магнитопроводом не превышает 2,75% для одноканального ЧЭ БВОПП, а для дифференциальной (двухканальной) конструкции ЧЭ БВОПП относительная нелинейность ФП дополнительно снижается почти в 8 раз (по сравнению с одноканальной конструкцией) до величины 0,32%. При этом расхождение результатов математического моделирования и экспериментальных исследований не превышает 5% .

Дальнейшее снижение нелинейности ФП (до величины 0,01% в диапазоне перемещений от 0 до 50 мм) достигается разработанным в диссертации программноалгоритмическим методом калибровки, линеаризации и стабилизации ФП. При этом величина температурного коэффициента выходного сигнала ЧЭ БВОПП не превышает 0,0025%/°С в диапазоне температур от минус 196 до +80°С .

Третья глава посвящена анализу метрологических характеристик и оценке времени цикла измерений БВОПП.

Согласно теории чувствительности, выражение для основной и дополнительной приведенной погрешностей датчика имеет вид (6):

* + * +

–  –  –

В приложении приводится разработанный алгоритм и программа для микроконтроллера ADUC842, реализующая калибровку, линеаризацию и стабилизацию ФП БВОПП; акты внедрения в проектную деятельность АО «РКЦ «Прогресс» и в учебный процесс Самарского университета .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан комплекс аналитических выражений, описывающих энергоинформационные преобразования в БВОПП с учетом особенностей изменения пространственного распределения магнитного поля и изменения поляризации оптического излучения в ЧЭ БВОПП при изменении положения РЭ, а также изменение поляризационных и температурных параметров элементов БВОПП, позволяющие определять пространственное положение тарели клапана ПГС РН – высоту поднятия тарели и ее перекос, учитывающие неравномерность распределения интенсивности оптического излучения по сечению МОЭ, неравномерность распределения проекции вектора напряженности магнитного поля на направление распространения оптического излучения по сечению МОЭ и возможность ее коррекции с помощью концентратора магнитного поля определенной формы, оптическое поглощение элементов ЧЭ БВОПП, а также изменение поляризации излучения в оптических элементах ЧЭ БВОПП .

2. Разработана методика расчета профиля подвижного магнитопровода ЧЭ БВОПП, позволяющая достигнуть нелинейности ФП 2,75% для одноканальной конструкции и 0,32% для дифференциальной конструкции БВОПП .

3. Разработана методика линеаризации и температурной стабилизации ФП, основанная на калибровке ЧЭ в пространстве двух переменных – температуры и положения подвижного элемента, кусочно-плоскостной аппроксимации калибровочной функции и вычислении функции обратной ФП, позволяющая дополнительно снизить нелинейность ФП и осуществить ее масштабирование в рабочем диапазоне перемещений, осуществлять калибровку БВОПП простым способом на объекте управления по двум точкам. При этом нелинейность ФП снижается до 0,01% в диапазоне перемещений 0…50 мм .

4. Проведенные анализ погрешностей и экспериментальные исследования разработанных конструкций ЧЭ и вторичных электронных преобразователей БВОПП показали, что за счет введенных дополнительных стабилизирующих обратных связей и программно-алгоритмической стабилизации обеспечивается высокая стабильность ФП БВОПП в широком диапазоне температур от минус 196 до + 80°С, при этом дополнительная температурная приведенная погрешность не превышает 0,56%, а основная приведенная погрешность БВОПП не превышает 0,2% .

5. Изготовленные образцы и результаты исследований БВОПП используются в:

АО РКЦ «Прогресс» для разработки систем контроля и управления ПГС РН; в учебном процессе в курсовом и дипломном проектировании, в составе лабораторных стендов «Исследование бесконтактных волоконно-оптических датчиков перемещения» при подготовке бакалавров по образовательной программе «Мехатронные и робототехнические комплексы» кафедры АСЭУ Самарского национального исследовательского университета имени академика С .

П. Королва; в составе демонстрационного стенда «Выставочный стенд для демонстрации волоконнооптических сенсоров контроля состояния исполнительных органов автоматизированных систем взрывоопасных объектов», находящегося в выставочном зале Самарского университета; при разработке элементов информационноинтегрированной системы для контроля усилия и положения захватов робота на основе волоконно-оптических датчиков с закрытым оптическим каналом для систем автоматического управления автономными роботизированными платформами наземного, воздушного и космического базирования .

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

В рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Матюнин, С.А. Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика на кристалле железо-иттриевого граната (ЖИГ) / С.А. Матюнин, М.В. Степанов, О.Г .

Бабаев // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. – 2014. – №1. – С. 97-99 .

2. Матюнин, С.А. Моделирование характеристик магнитооптического преобразователя перемещения / С.А. Матюнин, М.В. Степанов, О.Г. Бабаев // Измерительная техника. – 2016. – №8. – С. 30-33 .

Matyunin, S.A. Simulation of the characteristics of a magneto-optical displacement transducer / S.A. Matyunin, Stepanov M.V., Babaev O.G. // Measurement Techniques. – 2016. – Vol. 59(8). – p. 832-837 .

3. Матюнин, С.А. Линеаризация позиционной характеристики волоконно-оптического преобразователя на основе магнитооптического эффекта / С.А. Матюнин, М.В .

Степанов, О.Г. Бабаев // Измерительная техника. – 2017. – №5. – С. 42-44 .

Matyunin, S.A. Linearization of the positional characteristics of a fiber-optic transducer based on the magneto-optical effect / S.A. Matyunin, M.V. Stepanov, O.G. Babaev // Measurement Techniques. – 2017. – Vol. 60(5). – p. 468–472 .

4. Матюнин, С.А. Экспериментальное исследование деполяризации лазерного излучения элементами волоконной оптики / С.А. Матюнин, О.Г. Бабаев // Компьютерная оптика. – 2017. – 41(3). – C. 385-390 .

Matyunin, S.A. Experimental study of depolarization of laser radiation by fiber optic elements / S.A. Matyunin, O.G. Babaev // Computer Optics. – 2017. – Vol. 41(3). – p. 385Matyunin, S.A. Fiber-optical sensors based on mono-crystal films of garnet ferrites for mechatronic systems / S.A. Matyunin, Y.A. Fedotov, O.G. Babaev, M.K. Wirchenko, M.Yu .

Gusev, N.St. Neustroev // Procedia Engineering. – 2015. – Vol. 106. – p. 202-209 .

6. Matyunin, S.A. Contactless fiber-optic vibration sensors for explosive manufacturings / S.A. Matyunin, O.G. Babaev // 22nd International Congress on Sound and Vibration, ICSV 2015, Florence, Italy, 12-16 July 2015. – 2015. – Vol. 2015-January. – p. 17-24 .

7. Babaev, O.G. Simulation of contactless fiber-optic system for valve status monitoring / O.G. Babaev, S.A. Matyunin, M.V. Stepanov // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 176. – p. 2-11 .

Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ:

8. Матюнин, С.А. Программа для линеаризации позиционной характеристики волоконно-оптического преобразователя перемещения / С.А. Матюнин, М.В. Степанов, О.Г. Бабаев // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017619999, дата поступления: 18.05.2017, дата регистрации: 13.09.2017 .

Публикации в других изданиях:

9. Бабаев, О.Г. Методика исследования магнитооптического эффекта в кристаллах BSO и датчика магнитного поля на его основе / О.Г. Бабаев, С.А. Матюнин, Г.И .

Леонович // Фотон-экспресс. – 2013. – №6 (110). – С. 66-67 .

10. Бабаев, О.Г. Экспериментальное исследование волоконно-оптического датчика магнитного поля на основе железо-иттриевого граната / О.Г. Бабаев, А.М. Уденеев, Д.А. Прилуцкий // XI Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике: сборник конкурсных докладов (г. Самара, 6–10 ноября 2013 г.). – М.: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, 2013. – С .

61-67 .

11. Уденеев, А.М. Проектирование волоконно-оптического датчика магнитного поля на основе железо-иттриевого граната / А.М. Уденеев, О.Г. Бабаев, Д.А. Прилуцкий // XIV Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-14): тезисы докладов (г. Екатеринбург, 20–26 ноября 2013 г.). – Екатеринбург: ИФМ УрО РАН, 2013. – С. 260 .

12. Матюнин, С.А. Бесконтактные волоконно-оптические сенсоры мехатронных систем /С.А. Матюнин, Ю.А. Федотов, О.Г. Бабаев, Д.А. Прилуцкий //2-ая Международная научно-техническая конференция «Динамика и виброакустика машин 2014»: сборник трудов (г. Самара 15-17 сентября 2014 г.). – Самара: СГАУ, 2014. – С.731-737 .

13. Матюнин, С.А. Волоконно-оптические сенсоры для взрывоопасных производств .

Опыт использования и направления исследований в СГАУ / С.А. Матюнин, О.Г .

Бабаев, Д.А. Прилуцкий // Всероссийский конгресс по сенсорному приборостроению «Cенсорное слияние»: тезисы докладов (г. Кронштадт, 7 – 29 мая 2015 г.). – СПб.: ООО "СП "Интел-Системы", 2015. – C.18 .

14. Матюнин, С.А. Волоконно-оптический преобразователь перемещения с линейной позиционной характеристикой для мехатронных автоматизированных систем / С.А .

Матюнин, О.Г. Бабаев, М.В. Степанов // 3-ая Международная научно-техническая конференция «Динамика и виброакустика машин 2016»: сборник трудов (г. Самара, 29 июня - 1 июля 2016 г.). – Самара: Самарский университет, 2016. – С. 263-265 .

15. Данилов, А.В. Элементы волоконно-оптических датчиков в устройствах контроля акустики и вибродиагностики / С.А. Матюнин, О.Г. Бабаев, М.В. Степанов // 3-ая Международная научно-техническая конференция «Динамика и виброакустика машин 2016»: сборник трудов (г. Самара, 29 июня – 1 июля 2016 г.). – Самара: Самарский университет, 2016. – С. 242-243 .

16. Матюнин, С.А. Анализ возможностей реализации сенсоров тактильного усилия для антропоморфных роботов / С.А. Матюнин, О.Г. Бабаев, А.В. Данилов А.В., Степанов М.В. // Российская робототехника. Формирование профессионального сообщества в области развития робототехники, искусственного интеллекта: тезисы докладов




Похожие работы:

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" (ФГБОУ ВО ПГУПС) Брянский фили...»

«Электронный архив УГЛТУ ЭКО-ПОТЕНЦИАЛ № 2 (10), 2015 42 УДК 504.3.054 Р.М. Буквич1, М.П. Воронов2, В.П. Часовских2 Географический институт „Йован Цвиич“ САНИ, г. Белград, Сербия Уральский государ...»

«АНАЛИЗ ДОКУМЕНТОВ И РАЗЪЯСНЕНИЙ № 89-90 (1860-1861), 12 ноября 2018 г. ОБЛАГАЕТСЯ ЛИ НДФЛ, ЕСВ И ВС СТОИМОСТЬ ПИТАНИЯ РАБОТНИКОВ СО "ШВЕДСКОГО СТОЛА"? Согласно устоявшейся точке зрения, если работодатель организует для работн...»

«СЕКЦИЯ 13. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ. ПОДСЕКЦИЯ 2. ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА С УЧЕТОМ ОБРАТИМОСТИ РЕАКЦИЙ Т.А. Шафран, Г.Ю. Назарова Научный р...»

«ФОНД "ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ ГОРОДА" РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ОТКРЫТОСТИ МУНИЦИПАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ (РАБОТА ВЫПОЛНЕНА ЗА СЧЕТ СРЕДСТВ ЦЕЛЕВОГО КАПИТАЛА ФОНДА "ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ ГОРОДА") Москва...»

«Место дисциплины в структуре образовательной программы     Дисциплина "Механика жидкости и газа" является дисциплиной базовой части учебного цикла Б1. Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями Федераль...»

«2016 Т. 3, № 4 Прикладная фотоника УДК 535 А.С. Смирнов1, 2, В.В. Бурдин1, 2, Ю.А. Константинов2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия Лаборатория фотоники Пермского научного центра УрО РАН, Пермь, Россия ТЕОРЕТИЧЕСКО...»







 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.