ВВЕДЕНИЕ 13
1. Обзор литературы 15
1.1. Типы волоконно-оптических датчиков 16
1.2 Датчики температуры на основе анализа обратно отраженного сигнала 18
1.3. Датчики на основе Брэгговских внутриволоконных решеток 26
1.4. Датчики на основе туннельного эффекта 30
1.5. Датчики температуры на основе полупроводниковых соединений 32
1.6. Амплитудный волоконно-оптический датчик давления 34
2. Теоретическая часть 37
3. Этап изготовления 42
4. Экспериментальная часть 48
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 52
5.1 Оценка научного уровня проекта 52
5.2 Оценка коммерческого потенциала и перспективности научноисследовательского проекта 53
5.3 Организация и планирование проекта 55
5.4 Линейное планирование 55
5.5 Бюджет проекта 57
5.5.1 Расчет материальных затрат 57
5.5.2 Расчет затрат на оборудование 57
5.5.3 Затраты на оплату труда 58
5.5.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы и отчисления во
внебюджетные фонды 58
5.5.5 Накладные расходы 59
5.5.6 Формирование сметы бюджета затрат
5.6 Определение ресурсоэффективности проекта 61
Итоги раздела 63
6. Производственная безопасность 65
6.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой производственной
среды 65
6.2 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой производственной
среды 67
7. Экологическая безопасность 69
7.1 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 69
7.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 71
Заключение 73
Список информационных источников и литературы 76
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Волоконно-оптический тип датчиков сформировался как научно-техническое направление в начале 80-х годов 20-го века. Потребность в датчиках определяется развитием автоматизированных систем управления, а также внедрением инновационных технологических процессов. Современные датчики обладают высокими метрологическими характеристиками, высокой надежностью, долговечностью, стабильностью параметров, сравнительно небольшими габаритами и массой, незначительным энергопотреблением, совместимостью с микроконтроллерными средствами обработки данных. Именно такими характеристиками обладают волоконно-оптические датчики (ВОД).
Задачей дипломного проекта является разработка лабораторного макета «Оптоволоконный датчик перемещения».
Актуальность исследования. В современной электронной промышленности и приборостроении широко применяют волоконно-оптические измерительные системы.
Создание и совершенствование различных волоконно-оптических устройств и их компонентов, а также технологий изготовления непосредственно оптических волокон наиболее актуально. Применение данных технологий востребовано на производстве мелких деталей, имеющих отражающее покрытие (например, подшипники) для контроля показателей вибрации.
Объект и предмет исследования. Объектом данного исследования являются волоконно-оптические датчики. Предметом исследования выбран лабораторный стенд на основе волоконно-оптического датчика на одном и двух волокнах.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение качества волоконно-оптических измерительных систем за счет применения более совершенных датчиков микроперемещений. Для достижения цели решаются две задачи. Первая задача: рассмотреть известные методы измерения интенсивности излучения, а также способы оценки величины смещения зеркала. Вторая задача: разработать способ определения смещения зеркала на основании изменения величины обратного потока.
Новизна исследования. Разработаны новые структурная и электрическая схема установки для проведения лабораторного практикума «Оптоволоконные датчики перемещения». Предложена измерительная схема на основе подвижных зеркал.
Практическая значимость результатов исследования. Данная разработка вводится в образовательную программу магистерского курса по волоконной оптике, что улучшит разработанную лабораторную и методическую базу.
Реализация и апробация работы. Проведен обзор и сравнительная оценка характеристик различных типов ВОД, а также информационно-измерительных систем (ИИС) на их основе по заданию НПФ «Микроникс», г. Омск. Данные аналитического обзора используются при проведении работ по проектированию датчиков, способных работать в условиях нефтяных и газовых скважин, причем при температурах выше 80°C.
Поскольку данная отрасль более развита за рубежом, исследование современного состояния дел в области волоконно-оптических датчиков базируется, в основном, на информации из англоязычных источников.
Структура выпускной квалификационной работы. Структура ВКР подчинена цели и задачам исследования. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка источников использованной литературы и информационных источников.
В данной дипломной работе разработан и исследован оптоволоконный датчик перемещений. Проведен теоретический анализ чувствительности и основных узлов волоконно-оптического датчика. Был создан макет оптоволоконного датчика, регистрирующего перемещения отражающей поверхности и угловое отклонение излучения от нее.
В качестве источника излучения был выбран лазерный диод. Поскольку он является монохроматичным и когерентным (в пределах некоторого диапазона), а также его можно назвать малошумящим источником, то его использование повышает чувствительность волоконно-оптического датчика.
В ходе тестирования готового макета было выявлено большое количество потерь на оптических поверхностях. Если учитывать только френелевские потери на отражении, составляющие 4% на каждой поверхности, после прохождения сигнала через светоделительный кубик, линзу и световоды (не единожды), то отчетливо можно увидеть заметный вклад потерь полезного излучения в системе.
Также, снижение качества регистрируемого сигнала связано с недостатками способа ввода излучения в волокно. Даже не смотря на использование фокусирующей системы, наблюдается рассеяние на торцах световодов. Это связано с недостаточной фокусировкой пучка, а также с ручной обработкой торцов световодов. При рассмотрении последних с помощью микроскопа были обнаружены некоторые сколы и неровности поверхности, увеличивающие потери излучения. Таких торцов в системе четыре, и их совокупность дает общее число потерь, являющееся значимым для чувствительности датчика.
Кроме того, искажение выходного сигнала на первом мультиметре было связано с отраженным от черной ткани пучком, который предварительно был отклонен светоделительным кубиком на 270 градусов. Убрать данную паразитную засветку в ходе экспериментов не удалось.
Также для улучшения макета необходимо усовершенствовать систему крепления концов световодов для их статичного положения друг относительно друга, а также для легкости их расположения вблизи отражающей поверхности.
Несмотря на вышеуказанные недостатки, система способна функционировать в рамках лабораторного обучения. Это доказано проводимыми с помощью установки измерениями. Универсальность данного макета позволяет использовать его как датчик микроперемещений, а также как датчик вибраций. Однако, необходимо учесть частотную природу вибраций: с большой вероятностью, частота колебаний будет превышать 1 Гц, что говорит о невозможности фиксировать быструю смену показаний на мультиметре. Поэтому в будущем необходимо доработать такой аспект как регистрацию быстро меняющегося сигнала.
Другими достоинствами проекта являются его малые габариты, легкость в использовании, прочность, легкость юстировки, возможность замены электрических компонентов, поскольку крепления для них являются универсальными.
В экономической части дано технико-экономическое обоснование разработки и оценка научно-технического уровня. Оценка научного уровня проекта показала, что результаты работы можно применить на более широкую в количественном плане аудиторию, результаты будут использованы в конкретном научном направлении. Данная работа может быть опубликована и использоваться для обучения студентов других специальностей и вузов, ее можно назвать эффективной, так как средняя цена создания аналитических лабораторных установок является более высокой.
Также рассмотрены вопросы безопасности (производственной и экологической). Разработанный мною макет датчика не несет никаких вредных или опасных загрязнений в окружающую среду. Лазерное оборудование также не оказывает негативного влияния на окружающую среду.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
