Перспективы создания ВОИИС для определения параметров движения крупногабаритных стендов

Одной из основных проблем при испытаниях и эксплуатации аппаратуры ракетно-космической и авиационной техники (РК и АТ), которая устанавливается на крупногабаритных наземных испытательных стендах, является точное определение положения стендов для того, чтобы обеспечить прецизионные метрологические характеристики этой аппаратуры. Для решения этой задачи стенды оснащаются информационно-измерительными системами (ИИС), в состав которых входят датчики параметров движения: для измерения линейного и углового перемещения, скорости, ускорений (акселерометры).

Так как стенды, имеющие огромную массу, устанавливаются на амортизаторах различной конструкции (см. рис. 1), при воздействии на них низкочастотных механических колебаний изменение скоростей и ускорений мало¢. Поэтому для широко используемых типов датчиков скорости и ускорений эти колебания находятся в так называемой «мёртвой» зоне.

Вторая проблема заключается в том, что испытательные стенды, предназначенные для отработки аппаратуры РК и АТ, представляют собой крупногабаритные комплексы со сложной системой электротехнического оборудования. В состав этих стендовых комплексов входят подземные галереи с сотнями метров кабельных каналов, усилительное и преобразующее оборудование, бункер управления и центральная измерительная лаборатория, содержащая различную аппаратуру аналого-цифровой регистрации и обработки сигналов. Поэтому одним из основных требований, предъявляемым к оборудованию стендов, является применение датчиков в искробезопасном исполнении, стойких к воздействию электромагнитных помех любой интенсивности.

Третья проблема заключается в том, что применение «электрических» датчиков и ИИС не исключает возможность несанкционированного доступа к измерительной информации, а также не обеспечивает искро-, взрыво- и пожаробезопасность.

Одновременное решение этих проблем на основе применения широко распространённых типов «электрических» датчиков практически невозможно.

В настоящее время система регистрации и обработки информации динамических стендов оснащается следующим оборудованием: датчиками (тензометрическими, пьезоэлектрическими, термоэлектрическими, потенциометрическими, индукционными и другими), усилительно-согласующей аппаратурой (типа «Девиз», АДИ, ИС-1241 и другими), регистрирующей аппаратурой (типа ЭРА-М, АРБП) и обрабатывающей аппаратурой (типа ЭРА, АВБП, ПК) [1]. Такой аппаратно-программный комплекс успешно эксплуатировался в составе газодинамических стендов и обеспечивал проведение крупномасштабных модельных испытаний элементов РКН и ПУ «Энергия-Буран», «Союз», «Зенит» и прочих. Очевидно, что в настоящее время существующие аппаратно-программные средства автоматизации измерений выработали свой ресурс, морально и физически устарели. Совершенствование существующих электрических ИИС не позволяет решить проблему дальнейшего повышения точности и надёжности измерений при наземных испытаниях ракетно-космической техники, так как их резервы практически исчерпаны.

Одним из путей решения этой проблемы является разработка волоконно-оптической ИИС (ВОИИС), построенной на основе волоконно-оптических датчиков (ВОД), которые могут быть реализованы с использованием дифференциальных волоконно-оптических преобразователей линейных и угловых микроперемещений (ВОПЛМП и ВОПУМП) [2, 3].

В ВОИИС в качестве физической среды используются волоконно-оптические кабели (ВОК), что обеспечивает [4]:

• отсутствие влияния на результат измерения электромагнитных полей;
• отсутствие побочных электромагнитных излучений;
• отсутствие перекрёстных помех соседних каналов;
• отсутствие проблем, связанных с контурами заземления и напряжениями смещения в узлах соединения разнородных проводников;
• существенно меньшую электрическую опасность и отсутствие проблемы дугообразования и искрения;
• высокую стойкость к вредным факторам внешней среды;
• более тонкий, лёгкий (в два раза) и прочный, по сравнению с электрическим, многожильный кабель;
• простоту мультиплексирования сигналов;
• высокую скорость передачи данных.

ВОИИС характеризуются чрезвычайно высоким уровнем безопасности эксплуатации. Отсутствие источника электрической мощности в зоне измерений и замена её световой энергией с уровнем не выше 1 мВт гарантирует совершенно безопасную работу в потенциально искро-, пожаро- и взрывоопасных условиях.

Кроме того, ВОД в составе ВОИИС обладают высокой механической прочностью, малыми габаритами, простой конструкцией и, следовательно, высокой надёжностью. Они химически инертны, изготавливаются из диэлектрических материалов, что обеспечивает отсутствие путей прохождения через них электрического тока. Кроме того, они имеют высокую стойкость к повышенным температурам, механическим ударам, вибрациям и другим воздействиям окружающей среды. Они позволяют производить бесконтактные и дистанционные измерения в труднодоступных местах.

ВОД отличаются от «электрических» датчиков тем, что измерительный блок является оптико-механическим устройством, не содержащим радиоэлектронные компоненты, а преобразование измеряемой величины осуществляется на основе оптических явлений. Разделение ВОД на оптико-механический измерительный блок (ОМИБ) и опто-электронный блок (ОЭБ), которые могут быть разнесены с помощью ВОК на расстояние от нескольких метров до километра, позволяет достичь ряда преимуществ.

Измерения можно проводить в предельно жёстких условиях окружающей среды: при воздействии высоких температур, радиации и высоком уровне электромагнитных помех, а также в обстановке пожаро- и взрывоопасности. При этом обеспечивается гальваническая развязка. Возможность расположения ОЭБ в непосредственной близости от регистрирующего устройства системы телемеханики или управления позволяет создавать электрические каналы передачи аналоговых и цифровых сигналов, что обеспечивает наиболее полное использование всех функций и возможностей информационно-измерительной системы.

Авторами в рамках НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» разработан ряд ВОД, в которых в качестве измерительных преобразователей используются унифицированные по схемно-конструктивному исполнению ВОПЛМП и ВОПУМП с различными типами дифференциальных модулирующих устройств. Дифференциальные ВОПУМП отражательного типа для решения рассматриваемой задачи могут быть достаточно просто адаптированы [5]. На рисунке 2 приведён один из возможных вариантов крепления на стенде ВОД перемещения с дифференциальным ВОПУМП отражательного типа. Датчики подобного типа могут быть установлены в нужном количестве. При этом все они изготовлены по одной технологии и унифицированы по своему схемно-техническому решению.

Если стенд подвергается внешнему воздействию, например, при смещении земной поверхности, то стол стенда смещается относительно своего первоначального положения. В этом случае элемент стенда 1, перемещающийся, например, по оси Z, сжимает угловой сильфон, что ведёт к смещению отражательного элемента (ОЭ) – пластины 2, которая жёстко закреплена в верхней части сильфона на угол a относительно первоначального положения (см. рис. 2).

С двух сторон ОЭ 2 расположены оптические волокна (ОВ) 5 первого и второго измерительных каналов. При этом подводящие ОВ первого измерительного канала расположены соосно с отводящими ОВ второго измерительного канала и, наоборот, подводящие ОВ второго измерительного канала расположены соосно с отводящими ОВ 1 первого измерительного канала [5]. Элементы оптических схем дифференциальных ВОПУМП юстируются так, что в отсутствие измеряемой физической величины световое излучение, выходящее из торцов ПОВ1 и ПОВ2, после отражения от зеркальных поверхностей ОЭ равномерно распределяется между торцами отводящих оптических волокон первого и второго измерительных каналов.

Ввиду того что скорости и ускорения изменения положения стендов в пространстве чрезвычайно малы, однократное и двукратное дифференцирование значений сигналов с выхода ВОД перемещения с помощью вычислительных устройств на базе современных микропроцессоров даёт возможность с высокой точностью определить скорость и ускорение стенда без установки на стенде соответствующих датчиков. Таким образом, это позволяет снизить себестоимость, габариты и вес ВОИИС в два-три раза.

На рисунке 3 в качестве примера приведён один из возможных вариантов установки ВОД перемещения относительно стола стенда. При необходимости можно аналогичным образом установить датчик относительно поверхности виброизолятора.

Реализация предлагаемой ВОИИС позволит повысить надёжность и до-стоверность результатов измерений на крупногабаритных испытательных стендах в РК и АТ.

Литература

1. Лебига В.А., Самсонов А.В., Птушкин О.М., Боткин C.Е. Опыт модернизации ин-формационно-измерительного комп-лекса испытательного стенда с применением цифрового регистратора сигналов (НИИХСМ). www.nppmera.ru/opyit-modernizaczii-informaczionno-izmeri-telnogo-kompleksa-ispyitatelnogo-stenda-s-primeneniem-czifrovogo-regist-ratora-signalov-niixsm.
2. Гориш А.В., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г., Рубцов И.С. Внедрение волоконно-оптических средств измерений на летательных аппаратах – качественный скачок отечественной информационно-измерительной техники. Информационно-измерительная техника. Сб. трудов научно-техн. конф. Под ред. Панова Д.В. Москва. РУДН. 2014. С. 324. С. 166–174.
3. Юрова О.В., Архипов А.В., Назарова И.Т., Мурашкина Т.И. Теоретические исследования волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений отражательного типа. Промышленные АСУ и контроллеры. 2011. № 10.
4. Пивкин А.Г., Мурашкина Т.И. Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для ракетной техники. Монография. Пенза. Изд-во Пенз. гос. ун-та. 2005. С. 150.
5. Бадеева Е.А., Юрова О.В., Щевелев А.С., Макаров Ю.Н., Гориш А.В. Дифференциальный волоконно-оптический преобразователь угловых перемещений. Современная электроника. 2010. № 8.