Проектирование оптоволоконного датчика давления

Полученные значения, были применены к моделированию деформации центральной части мембраны под действием давлений в 1 МПа и 100 МПа, все это делается для получения более точных значений . (см. рисунок 18-19)Рисунок 18 – Прогиб мембраны под давлением в 1МпаРисунок 19 – Прогиб мембраны под давлением в 100 МпаМаксимальны прогиб центра мембраны, под давлением в 1 Мпа, равен . Под давлением в 100 Мпа прогиб мембраны равен .Определим относительную погрешность полученных результатов расчета и моделирования:Для давления в 1 МПа:Для давления в 100 МПа:Теперь необходимо рассчитать чувствительность мембраны, чувствительность – это отношение перемещения в направлении действующей нагрузки:3.4 Моделирование мембраны с закрепленным волокномТеперь необходимо произвести моделирование мембраны с жесткозакрепленными в зажимах волокном. И для датчика выбраны следующие материалы.Характеристик оптоволокна: Модуль упругости:; Коэффициент Пуассона: ; Модуль сдвига: ; Показатель преломления: ; Массовая плотность: . Для зажимов, в которых будет фиксировать оптоволокно, мы используем легированную сталь, данный материал лучше всего подходит для жесткого закрепления волокна.Характеристики стали, используемой для зажимов: Модуль упругости:; Коэффициент Пуассона:; Модуль сдвига: ; Массовая плотность: ; Предел прочности:; Предел текучести: ; Коэффициент теплового расширения:; Теплопроводность:.[22]Крепление мембраны будет производиться за две грани, так как крепится мембрана к кожуху при помощи ручной дуговой сварки.Выбор нагрузки, а именно давления 0-100 МПа остается неизменным, для получения более подробного графика, исследование деформации оптоволокна будет происходить при трех разных давлениях.Мембран с закрепленным волокном представлена на рисунке 20.Рисунок 20 – Мембрана с закрепленным оптическим волокномВ предыдущем пункте мы увидели, что если воздействовать на мембрану давлением в 1 Мпа, то деформация мембраны не значительна, поэтому при моделировании сборки мембраны с волокном давление будет подаваться в значениях, превышающие 1 Мпа.Но все же для начала необходимо проверить деформацию мембраны при подаче давления в 1 Мпа, но учитывая закрепленное оптоволокно. (см. рисунок 21)Рисунок 21 – Деформация мембраны с закрепленным оптоволокном при подаче давления в 1 МпаВыше мы уже провели расчет показателя при подаче давления в 1 МПа, воспользуемся им ().Проведём расчет относительной погрешности:Произведем моделирование, когда на мембрану с закрепленным волокном подается давление в 100 МПа. Ранее мы рассчитали, что максимальный центр перемещения мембраны при давлении в 100 МПа равен . (см. рисунок 22)Рисунок 22 – Деформация мембраны с закрепленным оптоволокном при подаче давления в 100 МпаДля этой модели тоже определим относительную погрешность:В ходе выполнения данного моделирования мы провели проверку результатов деформации мембраны с учетом закрепленного в зажимы волокна, была подсчитана относительная погрешность полученных результатов со значениями, которые были рассчитаны в пункте 3.4. Моделирование с волокном показало, что в результате моделирования погрешность уменьшилась на несколько процентов, это свидетельствует о точном моделировании.3.5 Деформация оптического волокнаПосле того как мы исследовали деформацию мембраны, необходимо исследовать деформацию волокна, для данного исследования необходимо произвести моделирование. Данное моделирование также поможет построить график, который отразит изменение длины волны в зависимости от значения полученной деформации.Исследуем изгиб волокна при давлении в 10 МПа. (см. рисунок 23)Рисунок 23 – Деформация оптического волокна при давлении в 10 МПаДеформация волокна при давлении в 10 МПа, на участке с решеткой Брэгга . Теперь рассмотрим деформацию при давлении 50 МПа, результат показан на рисунке 24.Рисунок 24 – Деформация оптического волокна при давлении в 50 МПаДеформация волокна при 50 МПа, на участке с решеткой Брэгга равна . Также подадим максимальное допустимое давление 100 МПа, результат моделирования представлен на рисунке 25.Рисунок 25 – Деформация волокна при давлении в 100 МПаДеформация оптоволокна при 100 МПа, на участке с решеткой Брэгга равна .Проведя расчет деформации волокна, мы можем построить, используя формулы 6 и 7, график зависимости изменения длины волны в брэгговской решетке от деформации. График представлен на рисунке 26.Рисунок 26 – График зависимости изменения длины волны в брэгговской решетке от деформацииВвиду того, что максимальное воздействие на волокно наблюдается при 100 Мпа, деформация волокна составляет 0,01. Зная эту величину по графику на рисунке 25 можно определить изменение длины волны, при 0,01 деформация составила .Исходное значение длины волны, на котором работает наше оптоволокно, составляет 1550 нм, следовательно, при максимальной деформации длина волны будет принимать значение 1563 нм.Теперь по формулам 6 и 7 можно рассчитать чувствительность для полученной максимальной длины волны, так для длины волны в 1563 нм, чувствительность будет равна 1,8 нм.Исходя из вышеописанного можно сделать вывод, что чувствительность датчика давления составляет 1,3-1,8 нм в диапазоне брэгговских длин волн 1550-1563 нм.3.6 Конструкция ВОДД на брэгговской решеткеЗа основу для конструкции ВОДД на основе решетки брэгга можно взять патент 2628734.[23]Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных системах контроля и измерения давления. Волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержит корпус, имеющий канал для подвода рабочей среды, оканчивающийся заглушкой, и оптическое волокно с двумя решетками Брэгга и в качестве чувствительного элемента. Заглушка выполнена в виде мембраны, на обратной стороне которой выполнены стойки, в которых жестко закреплено оптическое волокно. Первый участок оптического волокна с решеткой Брэгга расположен между стойками, а второй участок оптического волокна с решеткой Брэгга расположен с обратной стороны стойки.Конструкция волоконно-оптического датчика представлена на рисунке 27. Рисунок 27 – Конструкция ВОДД на основе решетки брэггаНа рисунке 27 представлен волоконно-оптический датчик давления, который содержит корпус 1, в виде резьбового штуцера, в котором имеется подводящий канал 14, переходящий в приемную полость 2, и оканчивающийся мембраной 3. На обратной стороне мембраны расположены стойки 4, в отверстиях 10 которых жестко закреплено оптическое волокно 7 с двумя решетками Брэгга 8 и 9 в качестве чувствительного элемента по средствам зажимов 11, через клеевой композит 12 и винтов 13. Кожух 5, крышка 6 и корпус 1 образуют опорную полость. Первый участок оптического волокна с решеткой Брэгга 8 расположен между стойками 4, а второй участок оптического волокна с решеткой Брэгга 9 расположен с обратной стороны стойки 4. Оптическое волокно 7 расположено с возможностью последовательного соединения датчиков в распределенную сеть.Теперь опишем принцип работы полученного датчика ВОДД на решетке брэгга.Измеряемое давление через подводящий канал 14, который находится в корпусе, поступает в приемную полость 2. Под действием давления мембрана 3 начинает изгибаться, что вызывает движение к противоположным сторонам стойки 4. Поскольку стойки 4 жестко закреплены на оптическом волокне 7, то движение распорок приводит к деформации оптического волокна 7, на основании чего происходит изменение длины волны отраженного света в решетке Брэгга 8. За счет изменения длина волны отраженного света, величина давления относительно опорной полости, которая образована из корпуса, крышки 6 и кожуха.Кроме того, давление в этой эталонной полости будет варьироваться от вакуума до значения давления, против которого необходимо будет регистрировать давление.Выполнение заглушки в виде мембраны, на обратной стороне которой расположены стойки и в которых жестко закреплено оптическое волокно, а также расположение первого участка оптического волокна с решеткой Брэгга между стойками, а второго участка оптического волокна с решеткой Брэгга с обратной стороны стойки, позволяет деформировать первую решетку Брэгга, что приводит к увеличению рабочего диапазона и чувствительности датчика. Вместе с тем приведенное техническое решение упрощает серийное производство датчиков, за счет того, что мембрана и стойки выполнены из одной заготовки в едином технологическом процессе. Данное техническое решение позволяет измерять абсолютное, избыточное или относительное давление.Выполнение заглушки в виде мембраны позволяет изготавливать датчики для широкого диапазона измерений с высокой точностью, т.к. мембрана обладает наилучшими метрологическими характеристиками и позволяет повысить чувствительность, линейность и другие физические характеристики воспринимающего элемента. Вместе с тем использование мембраны правильной формы «круг» или «квадрат» позволяет с высокой точностью провести расчет ее размеров: диаметра, площади и толщины, что позволит предварительно оценить механические свойства мембраны, и, как следствие, величину деформации решетки Брэгга и ее чувствительность к воздействующему параметру. Кроме того, мембрана обладает прямолинейностью рабочих поверхностей, что делает ее достаточно технологичной в изготовлении и облегчает расчет ее деформации и прогиба по всей площади.[23]ЗАКЛЮЧЕНИЕДанная выпускная квалификационная работа была направленна на проектирование волоконно-оптического датчика давления. В ходе выполнения работы были решены следующие задачи:1. Изучить основные понятия и принцип работы волоконно-оптического датчика;2. Изучить какие типы датчиков существуют и провести анализ существующий литературы;3. Произвести расчет характеристик мембраны;4. Провести моделирование мембраны на деформацию;5. Провести моделирвоания деформации оптоволокна;6. В результате полученных данных исследовать как поменяется длина волны в результате деформации волокна;7. Привести конструкцию волоконно-оптического датчика и описать принцип работы.Каждая задача была полностью описана и решена. Опираясь на весь вышеизложенный материал можно сказать, что разработка волоконно-оптических датчиков является перспективным направлением, так как они обладают рядом преимуществ перед микроэлектромеханическими датчиками. Объединив все вышеизложенные факты и материалы, можно с уверенностб сказать, что ВОД имеют следующие преимущества перед другими датчиками:- высокая чувствительность;- широкий динамический диапазон;- устойчивость к ЭМП;- простота конструкции и низкая стоимость;- искровзрывобезопасность.В сравнении с другими датчиками ВОД могут работать в различные рода условиях будь то экстремальная температура, давление, электромагнитные помехи, радиация, коррозийные среды.Все эти преимущества очень важны для такой отрасли как авиация.Во второй главе мы были подробно разобрали вопрос касательно самих датчиков, а именно мы дали основные определения, привели описание принципа работы и привели классификацию датчиков. Так как тема нашей работы – это проектирование волоконно оптических датчиков давления, то естественно далее мы двигались именно в этом направлении. Мы разобрались в том как работают ВОДД и привели их типы. Для проектирования был выбран ВОДД на брэгговских решетках, так как этот датчик является одним из наиболее часто используемых на практике датчиков.Третья глава была непосредственно посвящена практической части вопроса, а именно были проведены расчеты и было проведено моделирование. в основном в ВОДД используется заглушка, но она к сожалению не всегда отвечает тем требованиям, которые необходимы в тех или иных условиях. В следствии этого была предложена альтернатива в виде мембраны из специального сплава, которая поможет повысить точность измеряемых характеристик. Результаты расчета приведены третьей главе. В конце третьей главы была предложена конструкция ВОДД на основе брэгговской решетки, данная конструкция представлена на рисунке 26. За основу был взят уже имеющийся датчик давления.Как выяснилось использование мембраны значительно улучшает точность измеряемых характеристик. Опираясь на расчеты можно сказать, что при увеличении радиуса мембраны показатель точности будет расти, тем самым уменьшая погрешность в измерениях, но по формуле 10 видно, что при увеличении радиуса мембраны будет увеличиваться и толщина этой самой мембраны и как следствие всего этого будут увеличиваться толщина.Для увеличения точности измеряемых характеристик можно попробоватьиспользовать мембрану из другого материала.СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ1. .Красюк Б. А., Корнеев Г. И. Оптические системы связи и световодные датчики // М: Радио и связь – 1985 – 102 с.2. Типы оптоволоконных датчиков. Принцип работы оптоволоконного датчика. URL: https://www.rfwireless-world.com/Articles/Fiber-Optic-Sensor-basics-and-Fiber-Optic-Sensor-types.html. Дата обращения: 05.05.2021.3. Виды волоконно-оптических датчиков давления и температуры. URL: https://alertok.ru/oborudovanie/datchiki/volokonno-opticheskie-datchiki-davleniya-i-temperatury.html. Дата обращения: 04.05.2021.4. Пат. 2474798 РФ, МПК G01L 11/02   (2006.01). Волоконно-оптический датчик давления / Мурашкина Т.И. (RU). 01.02.2011.12с.5. Пат. 2269755 РФ, МПК G01L 11/02 (2006.01). Волоконно-оптический датчик давления / Цаплин А.И. (RU), Репин В.Н. (RU), Репин М.В. (RU), Аксенов Р.А. (RU), Ермаков Н.А. (RU). 07.07.2004. 5 с.6. Пат. 2308689 РФ, МПК G01L 11/02 (2006.01) G01L 19/04 (2006.01). Волоконно-оптический датчик давления / ООО «НИИВТ-Русич-Фарма» (RU). 05.04.2005. 11 с.7.Yaser, Javed A review of principles of MEMS pressure sensing with its aerospace applications / Javed Yaser, Shah Syed, Mansoor Mohtashim // Sensor Review. – 2019. – . – С. 158. Pressure Sensor: The Design Engineer’s Guide. URL: https://www.avnet.com/wps/portal/abacus/solutions/technologies/sensors/pressure-sensors/core-technologies/mems/. Датаобращения: 08.05.2021.9. Different Types of MEMS Explained.URL: https://www.hitechnectar.com/blogs/different-types-mems/#DisadvantagesofMEMS. Датаобращения: 08.05.2021.10. Advantages of Fiber Optic Sensor | disadvantages of Fiber Optic Sensor. URL: https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Advantages-and-Disadvantages-of-Fiber-Optic-Sensor.html. Дата обращения: 08.05.2021.11. Применение волоконно-оптических датчиков для диагностики беспилотных летательных аппаратов. URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=34133. Дата обращения: 09.05.2021.12. Fiber-Optic Pressure Sensors with an Open Optical Channel for Rocket-Space and Aviation Engineering. URL: https://www.researchgate.net/publication/335200556_Fiber-Optic_Pressure_Sensors_with_an_Open_Optical_Channel_for_Rocket-Space_and_Aviation_Engineering. Датаобращения: 07.05.2021.13. Introduction to Fiber Optic Sensors and their Types with Applications. URL: https://www.elprocus.com/diffrent-types-of-fiber-optic-sensors/. Датаобращения: 10.05.2021.14. D. A. Krohn, Fiber optic sensors fundamentals and applications, 3rd ed, Instrument society of America, 2000. 15. Mohammad Llyas, Hussein T. Moustah, The Handbook of Optical Communication Networks, CRC Press: Boca Raton, London, New York, Washinton, D.C., 2003.16. Jones, D., Introduction to Fiber Optics, Naval Education and Training Professional Develeopment and Technology Center, 1998.17. Kermal, Fidanboylu FIBER OPTIC SENSORS AND THEIR APPLICATIONS / Fidanboylu Kermal // 5 th International Advanced Technologies Symposium (IATS’09. – 2019. – С. 718. Буймистрюк, Г.Я. ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ И СИСТЕМ / Г.Я. Буймистрюк. – Санкт-Петербург: ИВА, ГРОЦ Минатома, 2005. – 191 с.19. Волоконно-оптические датчики на брэговских решетках. URL: https://monsol.ru/primenenie/baza-znaniy/poleznye-stati/statya-1/. Дата обращения: 12.05.2021.20. Варжель, С. В. Волоконные брэгговские решётки/ С. В. Варжель – СПб: Университет ИТМО, 2015. – 65 с.21. Леонович, Г.И. Разработка оптоволоконного датчика электрических параметров на основе решеток Брегга и программного комплекса для автоматического моделирования его параметров / Г.И. Леонович, В.Н. Захаров, А.И. Горшков // Информационные технологии и нанотехнологии. – 2017. С. 1507-1511.22. Дриц, М.Е.Технология конструкционных материалов и материаловедение / М.Е. Дриц, М.А. Москалев. – М.: Высш. шк., 1990. – 447 с23. Волоконно-оптический датчик давления. URL: 2628734 - Волоконно-оптический датчик давления - иллюстрации (findpatent.ru). Дата обращения: 12.05.2021.24. Пат. 2473874 РФ, МПК G01L 11/02 (2006.01). Распределённые оптические датчики давления и температуры / БЕЙКЕР ХЬЮЗ ИНКОРПОРЕЙТЕД (US). 26.09.2009. 17 с.