Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 681.586.773

ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Никольский В.В.,  Сандлер А.К.

 Известно [1, 2], что проблема диагностического обеспечения судовых технических средств (СТС) может быть сведена к решению двух основных групп задач:

- создание методов формализации и последующей автоматизации процедур поиска причин нарушения работоспособ­ности судовой энергетической установки (СЭУ) и формирование рекомендаций обслуживающему пер­соналу по управляющему воздействию на установку;

- разработка методов и создание средств определения технического состояния оборудования СЭУ и прогнозирование его изменения в процессе эксплуатации без разборки и демонтажа технических средств.

Первая группа задач, по существу, дополняет задачи, решаемые системой централизованного контроля, ее реализация не требует принципиальных изменений в установке, так как при этом используется традиционно-измеряемый массив параметров рабочего процесса.

Сложнее обстоит дело с реализацией второй (основной) группы задач диагностики, так как здесь требуется углубленное изучение оборудования как объекта диагностирования, включающее:

- определение параметров технического состояния (структурных параметров);

- выбор и обоснование физических методов и средств технического диагностирования.

Сложность решаемых задач усугубляется нестандартными условиями эксплуатации диагностической аппаратуры.

 Средства технического диагностирования, входящие в состав современных судовых информационно-измерительных систем (ИИС) в процессе эксплуатации подвергаются целому ряду негативных воздействий. Наиболее характерные из них – это влияние мощных тепловых, вибрационных и электромагнитных полей компактно расположенного оборудования, питание от единой энергетической сети, совместная прокладка информационных и силовых магистралей. Указанные факторы способствуют усилению погрешностей и возникновению аддитивных и мультипликативных помех в элементах управляющих систем. Учитывая постоянный рост мощности судового энергетического оборудования, можно прогнозировать формирование тенденции ухудшения работы ИИС. Повышение вероятности получения недостоверной информации может в конечном итоге привести к катастрофическим последствиям.

 Нами был проанализирован опыт мировой энергетики по решению проблемы качества информационного обеспечения. Установлено, что решение данной проблемы напрямую связано с решением таких задач как, сохранение уровня достоверности информации, как в первичных преобразователях, так и в коммуникативных линиях. В тоже время проблема достоверности информации с успехом преодолена в ИИС объектов атомной энергетики и железнодорожного транспорта путем перехода на волоконно-оптические технологии [3] .

 Успех применения волоконной оптики в системах наземного базирования привел к появлению первых судовых волоконно-оптических систем. В ходе испытаний этих линий были получены данные, подтверждающие полную пригодность волоконной оптики для работы в судовых условиях.

 Для таких систем характерно органическое соединение канала передачи данных с первичными преобразователями (ПП), использующими сигналы той же физической природы, что и канал передачи данных, - оптическое излучение [4,5,6].

 Нами был проведен ряд исследований, направленных на создание волоконно-оптических ПП, обладающих высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Как наиболее целесообразное, рассматривалось создание ПП, требующих минимальных материальных и временных затрат [7,8,9]. К таким ПП, в первую очередь, были отнесены волоконно-оптические ПП амплитудной модуляцией (АМ) сигнала. АМ излучения наиболее удобна для дальнейшей обработки выходного сигнала оптических датчиков. ПП с АМ, благодаря простоте и надежности, наиболее распространены и доступны для промышленного освоения. Однако, наряду с явными достоинствами, амплитудным ПП присущ общий недостаток – нелинейность функции преобразования. Этот недостаток обусловлен методом рассогласования полей двух волноводных структур, основанным на принципе нарушения геометрии связи. Оценив существующие варианты компенсации нелинейности датчиков с АМ, мы нашли их малоэффективными и предложили свое решение проблемы.

 Модуляция сигнала в ПП с АМ [6] происходит за счет изменений, вносимых в процесс возбуждения принимающего волновода соосным однородным или гауссовым пучком излучающего волновода (рис.1). При детальном анализе этого процесса можно отметить, что передача оптической мощности определяется не только расстоянием или углом между волноводами, но и величиной волноводного параметра [16]. В свою очередь, величина волноводного параметра V связана со значением числовой апертуры:

V= kr (n₁² – n₂²)^0.5,

где n₁ — показатель преломления сердцевины оптического волновода; n₂ — показатель преломления оболочки оптического волновода; r — плотность материала волновода; k — волновое число.

 На наш взгляд, эти зависимости дают реальную возможность управления процессом АМ посредством изменения не геометрии, а условий связи, посредством воздействия на свойства кварцевого стекла [10]. К числу эффектов, вызывающих изменение свойств кварцевых стекол, относится эффект фотоупругости [4]. Эффект фотоупругости проявляется в появлении оптической анизотропии под действием одноосного напряжения на прозрачные изотропные тела, сопровождающейся изменением эллипсоида показателей преломления материала оптического волновода, пропорционально приложенному напряжению.

 В ходе экспериментов были исследованы методом рассеянного света образцы стеклянных волноводов, подвергнутых различным механическим нагрузкам. Анализ результатов эксперимента привел к необходимости разделения исследования на две ветви:

- оценка процессов модуляции с точки зрения волновой или лучевой теории;

- оценка качества модуляции с позиции оптимального преобразования контролируемого параметра в изменение интенсивности излучения.

 В части оптической компоненты модуляции наиболее интересные результаты были получены при чистом кручении модели цилиндрического волновода. Полосы при этом виде деформации имеют вид концентрических окружностей, расстояние между которыми уменьшается при приближении к поверхности модели. Дифференцирование по эпюре изменения порядков полос вдоль радиуса модели приводит к линейной эпюре разностей квазиглавных напряжений. Линейный характер эпюры позволил определить закон изменения показателя преломления деформированного волновода как функцию от крутящего момента.

 Происходящие при этом модуляционные процессы объяснимы в рамках теории волноводов равного объема. Согласно теоремы Лиувилля, при деформации возбуждаемого волновода (участок 2 рис.1) будет происходить изменение числа принимаемых мод излучения, генерируемых излучающей волноводной структурой (участок 1 рис.1). Таким образом, этот участок волновода будет играть роль дросселирующей структуры между излучающим и принимающим элементами (участок 1 и 3 рис.1) ПП. При этом в целом, процесс передачи оптической мощности между волноводными структурами ПП будет подчинен линейному закону. Предлагаемая схема модуляции эквивалентна схеме ПП на основе переменных диаметров или числовых апертур с внешней амплитудной модуляцией сигнала.

Рис.1 Схема пьезооптического преобразователя амплитудной внешней модуляции:

1 - излучающий волновод; 2 - возбуждаемый волновод с пьезоэлементом; 3 - волновод (аналогичный излучающему); r - диаметр излучающего (возбуждаемого) волновода; R – внешний диаметр пьезоэлемента; L – расстояние между торцами волноводов (постоянное)

 Для оценки преобразования контролируемого параметра в изменение геометрических характеристик элементов ПП рассматривались механические, электромеханические и пьезоэлектрические приводы. В [11, 12] проведено сопоставление потенциальных возможностей пьезоэлектрических приводов. Их отличает способность преобразовывать электрическую энергию в механическую с высоким КПД, позволяя получать уникальные приборы, в которых электрические колебания прямо преобразуются во вращательное движение пьезоманипулятора на цилиндре с радиальной поляризацией. При этом усилие, развиваемое при скручивании столь велико, что исключает необходимость применения какого-либо дополнительного механического устройства для обеспечения малых дискретных угловых перемещений (от единиц угловых секунд) без применения каких-либо специальных мер. Это свойство связано с квазинепрерывным характером работы пьезоманипулятора. Действительно, пьезоэлемент (ПЭ), который преобразует электрические колебания в механические питается не постоянным, а переменным напряжением резонансной частоты. При подаче одного или двух импульсов можно получить очень маленькое угловое перемещение исполнительного элемента. Последнее свойство подсказало возможность сочетания оптической и силовой компонент ПП . Ряд натурных испытаний выявил, что наиболее оптимальным является коаксиальное расположение ПЭ и возбуждаемого волновода (рис. 1).

 В целом оценка результатов испытаний натурной модели ПП выявила его превосходство над ПП традиционной конструкции по уровню метрологических и массогабаритных характеристик. Рекомендованная область применения – контроль вибрации и микроперемещений.

Эффективность сочетания пьезоэлектрического привода и оптических элементов в одном ПП стала предпосылкой для разработки преобразователя с внутренней модуляцией.

 Конструкция разработанного пьезооптического ПП (рис.2) представляет собой волновод коаксиально соединенный с элементом на основе нематической жидкости (НЖК) [12,13]. Торец волновода покрыт зеркальным напылением. Управление элемента НЖК осуществляется сигналами от пьезоэлемента, пропорциональным изменениям контролируемого параметра [14,15].. Изменение показателя преломления элемента НЖК приводит к нарушению условий полного внутреннего отражения в волноводе. Происходящие изменения находят свое отражение в величине интенсивности излучения. Преобразованный световой поток отражается от зеркального торца и возвращается к фотодетектору по тому же волокну.

 Пьезооптический ПП такой конструкции отличается технологичностью и простотой изготовления. Испытания натурной модели ПП показали его полную пригодность для контроля различных параметров в условиях повышенной влажности или загазованности.

Рис.2 Схема ПП амплитудной внутренней модуляции:

1 - волновод; 2 – элемент НЖК; 3 - зеркальное покрытие; 4 - ПЭ; 5 – управляющие электроды

Полученные на настоящем этапе результаты лабораторных исследований дают основания для создания в ближайшее время промышленного образца ПП, пригодного для эксплуатации ИИС судовых энергетических установок.

1.                  Технические средства диагностирования. Под ред. Клюева В.В. М.: Машиностроение, 1989, 672 с.

2.                  Мясников Ю. Н., Баглюк Ю. В. Проблемы диагностического обеспечения судовых технических средств, Л.: журнал Судостроение, № 1, 1992 г

3.                  Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат, 1990, 255 с.

4.                  Гуляев Ю.В., Меш М.Я., Проклов В.В. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение. М.: Радио и связь, 1991, 150 с.

5.                  Сандлер А.К. Стабилизация работы волоконно-оптических систем контроля СЭУ//Информационный листок.- Одесса: ОЦНТЭИ, 1992.

6.                  Сандлер А.К. Защита волоконно-оптических систем от влияния пропульсивного комплекса//Информационный листок.- Одесса: ОЦНТЭИ, 1993.

7.                  Сандлер А.К. Рекомендации по компенсации потерь мощности в волоконно-оптических линиях связи//Информационный листок.- Одесса: ОЦНТЭИ, 1996.

8.                  Сандлер А.К. Использование волоконно-оптических датчиков в диагностических комплексах энергетических установок// материалы конференции Перспективные направления развития экологии, экономики, энергетики.- Одесса: ОЦНТЭИ, 1997.

9.                  Сандлер А.К. Перспективы использования волоконно-оптической техники в АСУ энергетических установок.- Одесса: Судоходство № 9-10, 1997.

10.              Сандлер А.К. Применение нового метода модуляции в волоконно-оптических датчиках.- Одесса: Судовые энергетические установки №5, 2000.

11.              Джагупов Р.Г., Глазева О.В., Никольский В.В. Современные элементы и устройства пьезоактивной электромеханики. / Приднiпровський науковий вiсник (Вип. Фізико – математичні науки N6(73) стр.31-48) "Наука i освіта" Днепропетровск, 1998 г.

12.              Никольский В.В. Сенсорный переключатель каналов. // Придніпровський науковий вісник. Технічні науки: Наук. журнал. – 1998. - №123 (190). – Дніпропетровськ: Наука і освіта – С.96 – 99.

13.              Никольский В.В. Пьезоэлектрическая кнопка с оптическим выходом // Автоматизация судовых технических средств: науч. - техн. сб. –2000. – Вып. 5. – Одесса: ОГМА. – С.54 – 56

14.              Джагупов Р.Г., Плавинский Е.Б., Никольский В.В., Веретенник А.М. Измерительные преобразователи: Учебное пособие. – Одесса: Астропринт, 2002. 216 с.

15.              Никольский В.В., Плавинский Е.Б., Ерофеев С.А. Области применения пьезокерамики в судовых автоматизированных системах управления // матеріали 54 науково – методичної конференції проф. – виклад. складу та курсантів 23-26 квітня 2002 р. ОНМА с.44

16.              Стерлинг Д.Д. Волоконная оптика. М.: Лори, 1998, 288 с.