Көшкінбаев сәулетбек жолдықараұлы технологиялық процестерді бақылауға арналған талшықты-оптикалық көпфункционалды датчиктердің функционалдығын зерттеу және модельдеу
Ғарыш саласы үшін бірқатар талшықты-оптикалық көпфункционалды датчиктердің сезімтал элеметін әзірлеу міндетін қою және негіздеу
жүктеу/скачать 6,91 Mb.
|
koshkynbaev-s-zh-phd-s-sp
| 1.4. Ғарыш саласы үшін бірқатар талшықты-оптикалық көпфункционалды датчиктердің сезімтал элеметін әзірлеу міндетін қою және негіздеу
Қазіргі уақытта қазіргі заманғы авиациялық кешендер шешетін үнемі күрделі міндеттерге сәйкес ұшу аппараттарының ақпараттық-өлшеу жүйелерін жетілдірудің үздіксіз процесі жүріп жатыр [82]. Датчик - түрлендіргіш аппаратура ұшу аппаратының борттық авиациялық жабдығының маңызды құрамдас бөлігі болып табылады. Ол әуе ортасында ұшу аппаратының кеңістіктік жағдайы мен қозғалысын, авиациялық қозғалтқыштардың және басқа жүйелердің жұмысын сипаттайтын параметрлер туралы ақпарат алу міндетін орындайды. Бұл ақпарат ұшуды қолмен немесе автоматты түрде басқару, электр станцияларының жұмыс режимдерін бақылау, ұшу тапсырмаларын орындау және оның қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін қолданылады. Сонымен қатар, датчиктер - түрлендіргіш аппаратура жоғары кедергіге және электромагниттік импульстардың әсеріне төзімділікке ие болуы керек [83]. Қазіргі заманғы датчиктердің көпшілігі, сондай-ақ зымыран-ғарыш және авиациялық технологияларға арналған өлшеу, бақылау, диагностика және басқару жүйелері өлшенетін параметрді электр сигналына айналдыруды және оны кейіннен өңдеуді көздейтін электронды өлшеу технологияларына негізделген. Мұндай тәсілге балама-талшықты-оптикалық өлшеу жүйелерін қолдану, мұнда өлшенетін параметр талшық арқылы берілетін оптикалық сигналға айналады [84]. 2015 жылғы маусымда "Армия-2015" форумы аясында 10 км-ге дейінгі қашықтықта жоғары дәлдіктегі оқ-дәрілерден ұшақтарға дейінгі кез келген әуе нысанасының электрондық жабдықтарын істен шығаруға қабілетті микротолқынды қондырғының үлгісі көрсетілді [85]. Ұшақ үшін электромагниттік импульстің өзі өлімге әкелетін қару болып табылады. Басқарылмайтын ұшу аппараттары жай ғана ауада ұстай алмайды. Сондай - ақ, ұшқышсыз ұшу аппараттарымен (ұшқышсыз ұшу аппараттарымен) ұшатын зымырандармен күресу өте қымбат рахат екенін ескеру қажет. Bla әсіресе электромагниттік импульстардың әсеріне төзімді болуы керек. Сарапшылардың пікірінше, ұшқышсыз авиациялық жүйелер талшықты-оптикалық әскери өнімдердің ең жылдам дамып келе жатқан нарығы болуы мүмкін. Forecast International болжамына сәйкес, 2015-2024 жылдар аралығындағы БЛА әлемдік нарығының көлемі чуть 71 млрд-тан сәл төмен деңгейге жетеді. "Fly-by-light" (талшықты-оптикалық ұшуды басқару) жүйелері жылдар бойы талқыланды, бірақ ең алдымен bla бортында қолданудың арқасында өмірге келеді. Технологиясы негізгі истребитель жүйелерінде сыналған көп талшықты және механикалық қосылатын коннекторлар сыйымдылығы төмен цилиндрлік әскери коннекторлардан айырмашылығы нормаға айналады. Олардың құны төмен, салмағы аз және арналардың тығыздығы айтарлықтай жоғары. Оптикалық талшыққа негізделген сенсорларды жасаудың алғашқы әрекеттерін 20 ғасырдың 70-ші жылдарының ортасына жатқызуға болады [86]. Ұқсас сенсорлардың азды-көпті қолайлы әзірлемелері мен эксперименттік үлгілері туралы басылымдар 70-ші жылдардың екінші жартысында пайда болды. Алайда, датчиктердің бұл түрі тек 80-ші жылдардың басында техниканың бір бағыты ретінде пайда болды деп саналады. Содан кейін "талшықты-оптикалық сенсорлар" (оптикалық талшықты сенсорлар) термині пайда болды. Осылайша, талшықты-оптикалық датчиктер техниканың өте жас саласы болып табылады. Алғаш рет АҚШ-та авиациялық техникадағы талшықты-оптикалық датчиктер қолданылды [87]. 1985 жылы NASA-ның талшықты-оптикалық өлшеу жүйесін құру бағдарламасы басталды. Талшықты-оптикалық датчиктер (Fiber Optic Control System Integration Program, FOCSI). Бағдарламаның бастапқы мақсаты-ұшақты басқару жүйелерінде талшықты-оптикалық / электро-оптикалық технологияларды қолдану - 1997 жылға қарай талшықты-оптикалық басқару жүйесін құру мүмкіндігін зерттеуге қайта форматталды. Ол үшін Sra/F-18 ұшатын зертханасының бортында бірнеше өндірушілердің жиырмадан астам талшықты-оптикалық датчиктері орнатылды, талшықты-оптикалық желі ұйымдастырылды, тіпті талшықты оптикалық командалар басқаратын ақылды жетек сыналды. Өнеркәсіптің авиациялық нарықты отандық талшықты-оптикалық датчиктермен қанықтыруға дайындық дәрежесі талшықты-оптикалық гироскоптар (Vog) сияқты технологиялық жағынан күрделі бұйымдардың флотта және авиацияда қолданылғанын, жауынгерлік зымырандарды бағыттау бастарында тұрғанын және ғарышқа ұшатындығын растайды. "Физоптика" жақ, "Оптолинк" ҚКП ЖШҚ, "Электроприбор" ЦНИИ, Пермь ғылыми-өндірістік Аспап жасау компаниясы осы салада көп жылдық тәжірибесі бар. Талшықты-оптикалық деректер желілерінде американдық B-2 Spirit, E-3D Sentry, E-8S JSTARS (Block 20), EC-130h (Block 30) Compass Call, F-16-E/f (Block 60) Fighting Falcon, F-22 Raptor, еуропалық Eurofighter Typhoon ұшақтары бар және жапондық суастыға қарсы ұшақ Р-1. Ресейде деректерді берудің талшықты-оптикалық желілері осындай "жетілдірілген" төртінші буын жауынгерлік ұшақтарының дизайнында қолданылады, МиГ-29к/КУБ, МиГ-35, Су-35 және, әрине, бесінші буын Т-50 истребителінде. Boeing 777 әуе лайнерінің дизайны талшықты-оптикалық жергілікті желіні қолданды-бұл авиакомпанияда талшықты-оптикалық байланыс желілерін алғашқы коммерциялық қолдану. Ал Boeing 787 ұшағының конструкциясында 110 талшықты-оптикалық қосылыс және 1,7 км оптикалық кабель бар. 2000-2003 жылдары Еуропалық комиссия Airbus, VAE Systems, Smiths Aerospace және т.б. компаниялармен бірлесіп LOADNET (Low Cost Optical Avionics Data Networks) бағдарламасын іске асырды. Оның мақсаты авиациялық-ғарыштық салада қолдануға жарамды стандартты коммерциялық талшықты-оптикалық компоненттерді анықтау және олардың қызмет ету мерзімі ішінде техникалық қолдау мүмкіндіктері туралы мәселелерді қарастыру болды. 2009-2012 жылдары қолданыстағы талшықты-оптикалық желілік технологияларды ұшақ бортында қолдануға бейімдеуге, сондай-ақ авиация үшін арнайы жаңа талшықты-оптикалық технологияларды, компоненттерді және бағдарламалық қамтамасыз етуді әзірлеуге бағытталған Daphne (developing aircraft PHotonic NEtworks) бағдарламасы іске асырылды . Қазіргі уақытта талшықты-оптикалық ақпараттық желілерден талшықты-оптикалық басқару жүйесіне көшу жүріп жатыр [88]. Процесс әскери және азаматтық авиацияға да әсер етеді. Сонымен, талшықты-оптикалық басқару жүйесі бар алғашқы ұшақ сериялы түрде шығарылды-бұл 2013 жылдың наурызында жапондық теңіз өзін-өзі қорғау күштерімен қызметке кірген патрульдік Кавасаки Р-1. Зымыран-ғарыш және авиациялық техникадан басқа (PK және at) қазіргі заманғы талшықты-оптикалық датчиктерге қажеттілік химия және мұнай-газ өнеркәсібінде, металлургияда, энергетикада, медицинада және биотехнологияда туындайды. Қазіргі уақытта талшықты Брэгг торлары талшықты-оптикалық датчиктің ең перспективалы сезімтал элементтерінің бірі ретінде қарастырылады. Олардың негізгі артықшылықтарының қатарына мыналар жатады: электромагниттік өрістердің әсерінен қорғау, жоғары сезімталдық, сенімділік, кең динамикалық өлшеу диапазоны, бір немесе бірнеше жарық өткізгіштерде орналасқан сезімтал элементтердің спектрлік және кеңістіктік мультиплекстеу мүмкіндігі, өлшеу орнына дейінгі айтарлықтай қашықтық, өлшенетін шаманың өзгеруіне жауап берудің қысқа уақыты, жоғары коррозиялық және радиацияға төзімділік, шағын өлшемдер мен салмақ және басқалары. Брэгг торлары қазіргі уақытта оптикалық талшықтарда және планарлы жарық өткізгіштерде толқын ұзындығы бойынша арналарды тығыздау үшін (DWDM технологиясы деп аталады), оптикалық сигналдарды сүзу, талшықты және жартылай өткізгіш лазерлердегі резонаторлық айналар сияқты, оптикалық күшейткіштердегі тегістеу сүзгілері ретінде, магистральдық байланыс арналарындағы дисперсияны өтеу, толықтыру үшін кеңінен қолданылады. Талшықты Брэгг торларын қолданудың тағы бір саласы-оларды қоршаған орта параметрлерін бақылайтын әртүрлі өлшеу жүйелерінде қолдану, мысалы: температура, ылғалдылық, қысым, деформация, химиялық заттар. Брэгг жарық өткізгіштерінің ұзындығы бойынша таратылған торлар ұқсас мақсаттағы дәстүрлі кешендерден өзіндік құны мен өндіріс технологиясымен ерекшеленетін акустикалық жүйелерді құруға мүмкіндік береді. Жарық өткізгіште таратылған Брэгг торларын жазу технологиясы өлшеу кешендерінің жаңа ұрпағын құрудың негізгі буыны болып табылады. Осындай оптикалық талшықтар негізінде әзірленген гидроакустикалық антенналар, ұзақ объектілерді қорғау жүйелері және магистральдық құбырлардың жай-күйін бақылау жүйелері шетелде кеңінен қолданылуда. Бұл жүйелердің айрықша ерекшелігі-бақыланатын аймақтардың кеңдігі, жылдамдығы және бірегей ақпараттық мүмкіндіктері. Бір датчикте екі параметрді өлшеу қосымша сапалы сипаттамалар алуға мүмкіндік береді. Мысалы, қысымды өлшеу үшін термиялық компенцацияны жоғары дәлдікпен жүргізу және өлшеу қателігін ондаған есе азайту. Сонымен қатар, температура мен деформацияны бір нүктеде біріктіру комплексті өлшеулер жүргізуге мүмкіндік береді. Талшықты Брэгг торы - бұл оптикалық талшықтың бөлігі, оның өзегінде сыну көрсеткіші бойлық бағытта периодты түрде өзгеріп отырады. Талшықты Брэгг торының сұлбасы 1.19-суретте көрсетілген. Сурет. 1.19 – Талшықты Брэгг торы Оптикалық талшық арқылы таралатын сәулелену-бұл жарық өткізгіштің өзіндік режимдерінің комбинациясы: бағыттаушы және эмиссиялық. Оптикалық талшықтың сәулелену режимдері үздіксіз функцияны құрайды, ал бағытталғандар βi таралу тұрақтыларының дискретті жиынтығына сәйкес келеді [89]. Сыну көрсеткішінде өзгерістер болмаған жағдайда, модтар бір-бірімен өзара әрекеттесусіз таралады. Сондықтан сыну көрсеткішінің модуляция периоды таңдалған жарық өткізгіш модтар арасындағы қажетті резонанстық өзара әрекеттесуді қамтамасыз ететіндей етіп таңдалады. Бұл сыну көрсеткішінің модуляциясы оптикалық талшықтың негізгі модасын кері бағытта таралатын модамен байланыстырады. Нәтижесінде дискретті толқын ұзындығында оптикалық талшық арқылы таралатын сәуле Брэгг торынан шағылысады. Шағылысу коэффициенті сыну көрсеткішінің модуляция тереңдігіне байланысты, ал шағылыстың орталық толқын ұзындығы Брэгг шартымен анықталады [90]: (1.1) λB – Брэгг резонансының толқын ұзындығы, neff – орталық толқын ұзындығы үшін талшық өзегінің эффективті сыну көрсеткіші, Λ – Брэгг торы периоды. [91] жұмыста Брэгг торының жылжуын өлшеудің көптеген әдістері ұсынылған. Кең жолақты сәулелену көзі және спектроанализатордың көмегімен немесе тар жолақты қайта реттелетін лазер мен фотоқабылдағышының көмегімен тордың өткізу/шағылысу спектрін өлшеу мүмкін болатыны көрсетілген. Бұл әдіс өлшеу кезінде оптикалық трактта пайда болуы мүмкін оптикалық шығындарға сезімтал емес және торды өлшеудің жоғары дәлдігін қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, мұндай тіркеу схемасы өте қымбат жабдықты пайдаланады және жылдамдығы шектеулі екені көрсетілген. Аспап жасау саласында, ақпараттық-өлшеу жүйелерінде келесі жаңа бағыт тез дамып келеді: талшықты-оптикалық датчиктер өндірісін әзірлеу және игеру. Сыртқы тұрақсыздандырғыш факторларға төзімділігі, радиацияға төзімділігі және толық өрт және жарылыс қауіпсіздігі бойынша бірегей қасиеттеріне байланысты олар көптеген салалар мен жүйелерде қолданылады. Ғарыштық аспаптарда талшықты датчиктерді қолдану әлі кең таралған жоқ. Себебі ғарыш өнімдеріндегі дәстүрлі аспаптар мен жүйелер стандартты интерфейстері бар аналогтық және сандық датчиктер жасалған. Талшықты сенсорларда Fiber Channel сияқты мүлдем басқа интерфейстер бар. Талшықты-оптикалық датчиктердің әлемдік өндірушілері болып Siemens (Германия) және Backer Hughes (АҚШ), Halliburton (АҚШ), Schlumberger (АҚШ) Emerson Electric Co. (АҚШ), және ресейлік кәсіпорындар "Омега", "Оптолинк", "Интел-система" компаниялары саналады. АҚШ-тың Frost&Sullivan (АҚШ) Бизнес-консалтингтік компаниясы 2011 жылы шамамен $1 1,200 млрд құрады және 2020 жылға қарай $8,5 млрд дейін өседі деп болжануда [92,93]. [94] жұмыста жіктелуі мен жұмыс принципі бойынша барлық талшықты-оптикалық датчиктерді былайша бөлуге болатындығы көрсетілген: жарық ағынының сипаттамаларының амплитудалық модуляциясы бар құрылғыларға (қарқындылық, оптикалық траектория) және жиілік-фазалық модуляциясы бар құрылғыларға (Брэгг торларымен). Амплитудалық модуляциясы бар құрылғыларда модуляция үшінші тарап элементтерімен жүзеге асырылады: перделер, мембраналар, консольдер, сильфондар және басқалар. Мұндай конструктивті орындау күрделі, ал датчиктердің өздері жоғары дәлдікке ие емес. Фазалық модуляция кезінде торларды қалыптастыру үшін мамандандырылған технологиялық жабдық қажет [95]. Толқындық Брэгг торларына негізделген кез-келген өлшеу жүйесінің болып табылатындығын атап өткен жөн. Интеррогатор-бұл тар жолақты спектрометр, ол қымбат бағдарламалық жасақтамасы бар жүйенің ең қымбат элементі болып табылады. 4 арнадағы si255 интеррогаторының құны шамамен 45000 долларды құрайды [96]. Талшықты оптикалық Брэгг торлары талшықты-оптикалық датчиктердің сезімтал элементтері болып табылады және олардың даму перспективалары қазіргі уақытта өте жоғары. Брэгг торының артықшылықтары оның шағын өлшемдері және электромагниттік өрістің әсерінен қорғау, өлшенетін шаманың тіркеу реакциясының қысқа уақыты болып саналады. Сондай-ақ, тор сипаттамаларының тізіміне келесі параметрлер кіреді: жоғары сезімталдық, сенімділік, бір немесе бірнеше талшықтармен спектрлік және кеңістіктік өлшеулер жүргізу мүмкіндігі, сыртқы метрологиялық әсерлерге төзімділік [97]. Талшықты-оптикалық датчиктердің құрылымына келесі элементтер кіреді: негізгі элемент оптикалық талшық болып саналады, лазер сәулелену көзі ретінде қолданылады, талшықты Брэгг торы сезімтал элемент болып табылады, ал фотоқабылдағыш оптикалық сигнал қабылдау құрылғысы ретінде қолданылады. Бұл элементтер оптикалық датчик жүйесінің толықтығы үшін жеткіліксіз. Осы элементтерден басқа өлшеу сенсорлық жүйелерін құру үшін арнайы байланыс желілері қолданылады. Жүйелік техниканың құрамдас бөліктері талшықты - оптикалық датчикті практикалық қолдануда қажет және олар оптикалық байланыс желілерімен бірге метрикалық жүйені құрады. Ғарыш саласындағы маңызды міндеттердің бірі-электромагниттік өрістер, температура, діріл сияқты сыртқы факторлардың әсерінен ғарыш аппараттарының металл беттерінің механикалық зақымдануын анықтау. Бұл жоғары жылдамдықты механикалық өзгерістер мен түрлендірулерді анықтай алатын әдістер жақсы түсінілмеген. Көптеген жағдайларда әдістер миллисекунд ішінде болатын ақауларды анықтаумен шектеледі. Бұл жұмыста оптикалық әдістер микросекундтық импульстік магнит өрісі бар құрылғыда болатын жоғары жылдамдықты ауысуларды анықтау үшін қолданылады. Металл үлгілеріне импульстік токтың әсер етуінің минималды уақыты-2 микросекунд. Бұл жұмыстың жаңалығы. Мұның бәрі көпфункционалды талшықты-оптикалық датчиктің сезімтал элементін зерттеу кезінде оптикалық әдістерді қолдануға бағытталған зерттеу жүргізу орынды деп айтуға мүмкіндік береді. жүктеу/скачать 6,91 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|