Разработка новых технологий производства радиационно-стойких волоконно-оптических датчиков с открытым оптическим каналом (давления и разности давления, линейных и угловых микроперемещений, виброперемещений, ускорений, деформации, параметров жидкостных сред, температуры, аэродинамических углов) для информационно-измерительных систем ракетно-космической и авиационной техники на основе новых принципов преобразования оптических сигналов в микро-оптико-механической системе измерительных преобразователей

Национальная технологическая инициатива, проект № 8.11785.2018/11.12

Руководитель: Мурашкина Т.И., доктор технических наук, профессор, директор – главный научный сотрудник НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» ПГУ

Коллектив исполнителей: Бадеева Е.А., Янкина Н.Н., Серебряков Д.И., Бростилова Т.Ю., Мотин А.В., Шачнева Е.А., Славкин И.Е., Хасаншина Н.А., Царев П.С., Кукушкин А.Н.

Актуальность работы определяется необходимостью создания нового класса волоконно-оптических датчиков (ВОД) физических величин с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками для искро- взрыво- пожароопасных инженерно-технических объектов ракетно-космической и авиационной техники путем разработки нового принципа преобразования оптических сигналов в зоне восприятия измерительной информации на основе моделирования физических процессов, происходящих в разрыве открытого оптического канала под воздействием измеряемой физической величины и разработки новых конструктивно-технологических решений оптической системы волоконно-оптических преобразователей.
Для достижения высокой точности и надежности при проектировании новых ВОД на первый план выступают технологические вопросы:  необходимы современные технологические процессы и процедуры юстировки, настройки, регулировки их оптических систем, обеспечивающие формирование рациональной структуры светового потока, несущего измерительную информацию об измеряемом давлении, что в свою очередь способствует улучшению метрологических характеристик датчиков. Необходимо решить вопросы повышения технологичности конструкций ВОД за счет унификации базовых технических решений волоконно-оптических преобразователей, волоконно-оптических кабелей и блока преобразования информации.
Специфику выбора предмета исследований определили требования радиационной стойкости, абсолютной искро- и взрывобезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех, механических факторов, перепадов температур, характерных для ИТО специальной техники.
Разрабатывается новая концепция проектирования ВОД с повышенными эксплуатационными и метрологическими характеристиками. Особенности проектирования ВОД для специальных инженерно-технических объектов требуют исключения влияния на результат измерения изгибов оптических волокон, что возможно на пути применения открытых оптических каналов измерительных преобразователей ВОД, то есть в разрабатываемых ВОД должны быть применены конструктивно-технологические решения, которые исключают какие-либо изгибы оптических волокон. Целесообразно применение дифференциальных схем преобразования сигналов, причем данное преобразование целесообразно проводить с оптическими сигналами непосредственно в микро-оптико-механической системе в зоне восприятия измерительной информации, что является новым решением. Для этого необходимо разрабатывать адекватные конструктивно-технологические решения ВОД.
Данный научно-технологический подход является основополагающим для дальнейших научных положений работы.

Объект исследования: технологии производства радиационно-стойких волоконно-оптических датчиков с открытым оптическим каналом.

Цели проекта:
1. Создание унифицированных конструкций и технологии изготовления радиационно-стойких волоконно-оптических датчиков (ВОД) физических величин повышенной надежности и точности, реализующие новую теорию распределения светового потока и дифференциального преобразования оптических сигналов в открытом оптическом канале (ООК) микро-оптико-механической системы (МОМС) датчиков для искро-, взрыво-, пожароопасных  инженерно-технических объектов ракетно-космической и авиационной техники (РК и АТ).
2. Замена морально устаревших электронных информационно-измерительных систем ракетно-космической и авиационной техники искро-, взрыво-, пожаробезопасными высокоточными волоконно-оптическими информационно - измерительными системами на базе ВОД физических величин.
3. Коммерциализация и вывод на рынок новой научно-технической продукции с целью повышения точности измерений физических величин в ракетно-космической и авиационной технике в условиях повышенной искро-, взрыво-, пожароопасности и воздействия электромагнитных полей.

Результаты проекта:

1) Реализована разработанная концепция проектирования дифференциальных ВОД с улучшенными эксплуатационными и метрологическими характеристиками, основанная на анализе и систематизации требований РК и АТ, введенных критериев оптимизации конструктивно-технологических параметров.
2) Разработаны и реализованы унифицированные технологии изготовления радиационно-стойких ВОД физических величин повышенной надежности и точности, реализующие новую теорию распределения светового потока и дифференциального преобразования оптических сигналов в открытом оптическом канале МОМС для искро-, взрыво-, пожароопасных инженерно-технических объектов ракетно-космической и авиационной техники.
3) Разработаны и реализованы схемно-технические, конструкторско-технологические способы и механизмы снижения составляющих основной и дополнительных погрешностей, улучшения эксплуатационных характеристик ВОД с открытым оптическим каналом, эксплуатируемых в условиях искро-взрыво-пожароопасности, воздействия радиации, перепадов температур, механических воздействий, характерных изделиям РК и АТ.
4) Разработаны и реализованы структурные, конструктивные, метрологические, технологические  решения дифференциальных ВОП на основе новых схем позиционирования оптических волокон в рабочих торцах ВОК, новых модулирующих оптических элементов, новых процедур юстировки, регулировки и сборки элементов оптико-механической системы, обеспечивающих дифференциальный алгоритм преобразования оптических сигналов.
5) Разработаны конструкции радиационно-стойких волоконно-оптических датчиков с открытым  микро-оптико-механическим каналом (давления, разности  давлений, деформации, температуры, ускорения, аэродинамических углов, параметров жидкостных сред, больших угловых перемещений) для информационно-измерительных систем.
6) Разработаны комплекты конструкторской (чертежи, ТУ) и технологической документации ВОД давления и разности давления, линейных и угловых микроперемещений, виброперемещений, ускорений, деформации, параметров жидкостных сред, температуры, аэродинамических углов и универсального блока преобразования информации для дифференциальных ВОП.
7) Изготовлены экспериментальные образцы ВОД давления и разности давления, линейных и угловых микроперемещений, виброперемещений, ускорений, деформации, параметров жидкостных сред (давления, расхода, скорости потоков), температуры, аэродинамических углов.
8) Разработан и изготовлен экспериментальный образец универсального блока преобразования информации для дифференциальных ВОП.
9) Разработаны и изготовлены измерительные установки для исследования ВОП и ВОД давления и разности давления, линейных и угловых микроперемещений, виброперемещений, ускорений, деформации, параметров жидкостных сред, температуры, аэродинамических углов.
10) Проведены экспериментальные исследования ВОД давления и разности давления, линейных и угловых микроперемещений, виброперемещений, ускорений, деформации, параметров жидкостных сред, температуры, аэродинамических углов.
11) Разработаны рекомендации по внедрению технических решений волоконно-оптических датчиков на предприятиях, занимающихся разработкой и производством датчиков.

Область применения.
Разработанные ВОД будут использоваться на отечественных инженерно-технических объектах ракетно-космической и авиационной техники в составе волоконно-оптических информационно-измерительных систем в условиях возможного воздействия электромагнитных помех и искро-взрыво-пожароопасности.
Полученные результаты превышают мировые достижения в области создания волоконно-оптических средств измерения физических величин: дифференциальное преобразование оптических сигналов за счет использования конусообразного распределения светового потока с выхода подводящего оптического волокна, позволяющего его разделить на два независимых световых потока непосредственно в зоне восприятия измерительной информации осуществлено впервые. Такое преобразование световых потоков позволит не менее, чем в 2 раза снизить большинство дополнительных погрешностей волоконно-оптических датчиков различных физических величин.

Данная работа имеет возможность постановки ОКР по созданию ряда волоконно-оптических датчиков физических величин с улучшенными характеристиками для энергоемких, искро- взрыво- пожароопасных систем объектов ракетно-космической и авиационной техники и другой специальной техники.

Рисунок 1 – 3Д модель и результаты испытаний ВОД ускорений на вибростенде

 Рисунок 2 – Общий вид ВОД температуры с компенсационным каналом

Рисунок 3 –3D-модель и упрощенная конструктивная схема ВОД параметров жидкостных сред отражательного типа