АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 9
1.1. Анализ технического задания 9
1.2. Обзор аналогов и патентный поиск 9
1.3. Общая информация о волоконно-оптических датчиках давления 15
1.4. Классификация волоконно - оптических датчиков давления 18
1.5. Принцип работы волоконной брэгговской решетки 19
1.6. Область применения и преимущества волоконно-оптических датчиков
давления 22
2. РАСЧЕТНЫЙ РАЗДЕЛ 25
2.1. Расчет мембраны 25
2.2. Моделирование прогибов мембраны 28
2.3. Расчет параметров оптического волокна 35
2.4. Моделирование мембраны с жесткозакрепленным оптическим волокном 39
2.5. Моделирование деформации оптического волокна 42
3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ВОЛОКОННО - ОПТИЧЕСКОГО
ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ 47
3.1. Конструкция волоконно-оптического датчика давления 47
3.2. Конструкция мембраны 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 53
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. КОНСТРУКТОРСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯОшибка! Закладк а j
Одним из важнейших направлений в развитии техники на данный момент является сенсорика. Без достоверных данных о физических параметрах материалов и элементов конструкций невозможно правильное функционирование любой мало значащей сложной технической системы. Конечно, значительное количество датчиков физических величин давно создано и успешно используются. Но задача по-прежнему остается актуальной для совершенствования конструкции волоконно - оптических датчиков, увеличения их чувствительности и надежности, расширения диапазона измерений уже существующих устройств, поиска новых физических принципов, которые используются при построении этих датчиков.
В этой связи представляются перспективными разработка и проектирование волоконно-оптических датчиков различных физических параметров. В первую очередь, это связано с появлением высококачественного и доступного (в том числе и по цене) оптического волокна, а также за счет снижения стоимости оптоэлектронных компонентов, которые изначально были разработаны для использования в системах оптической связи. Помимо этого, волоконно - оптические датчики имеют значительные преимущества по сравнению с другими видами датчиков.
Волоконно-оптические датчики особенно перспективны и даже необходимы в специфических условиях эксплуатации, таких как нахождение в сильном электромагнитном поле или во взрывоопасных зонах. С помощью волоконно-оптических датчиков можно измерить практически все физические величины: температура, расстояние, давление, вибрации, деформация, магнитное поле, а также звуковые колебания и так далее [1-2].
Задачи выпускной квалификационной работы:
1) Обзор аналогов и патентный поиск.
2) Анализ технического задания.
3) Расчет характеристик мембраны.
4) Прочностной расчет и моделирование мембраны на прогиб.
5) Расчет деформации оптического волокна.
6) Исследование изменения длины волны.
7) Конструкция и принцип действия волоконно-оптического датчика
8) Разработка конструкторской документации.
На основании технического задания был произведен поиск аналогов и патентов, вследствие чего принято решение о внесении изменения в конструкцию волоконно - оптического датчика давления, а именно, вместо заглушки, которая пропускает давление, поставить мембрану. Появление мембраны способствует повышению чувствительности, линейности и других физических характеристик воспринимающего элемента, так как мембрана обладает наилучшими метрологическими характеристиками.
Был произведен расчет размеров мембраны с высокой точностью, что позволило оценить механические свойства мембраны. После проведения расчетов параметров мембраны была построена ее 3D- модель в программе КОМПАС 17.1, и затем проведено моделирование мембраны на прогиб при двух воздействующих давлениях 1 МПа и максимальном допустимом 100 МПа, вследствие чего были получены относительные погрешности полученных значений при моделировании и теоретических расчетов, выполненных в программе Mathcad. Относительная погрешность составила 1.1% и 1.5%, что удовлетворяет требованиям технического задания, и не превышает 2%. Также при максимальном давлении был произведен расчет коэффициента запаса прочности, который составил 1.16>1, что удовлетворяет условию прочности, а значит, мембрана выдержит максимальное воздействующее давление в 100 МПа.
Также произведен расчет характеристик оптического волокна, а именно, брэгговских решеток, так как местоположение решеток находится на изгибе оптического волокна, соответственно полученная деформация оптического волокна пропорциональна изменению длины волны в брэгговской решетке от воздействующего давления.
После расчетов была изготовлена 3D-модель сборки, которая включала в себя мембрану с жесткозакрепленным зажимами оптическим волокном, затем было проведено моделирование полученной сборки в SolidWorks Simulation. Исследование происходило как в предыдущем пункте, при таких же давлениях 1
МПа и 100 МПа. Была посчитана относительная погрешность между рассчитанными значениями в Mathcad и полученными при моделировании
сборки, и составила 0.5% и 0.9 %, полученная погрешность при моделировании сборки уменьшилась, а значит моделирование мембраны с жесткозакрепленным оптоволокном наиболее точнее, что удовлетворяет требованиям технического задания.
После пройденных исследований рассмотрена деформация оптического волокна при трех разных воздействующих давлениях при 10, 50 и 100 МПа, это необходимо для построения более точного графика, который отображает зависимость изменения длины волны в брэгговской решетки от деформации оптоволокна. Исходя из графика, был получен диапазон брэгговских длин волн, который составил 1550-1563 нм, а чувствительность датчика составила 1.3-1.8 нм при данном диапазоне длин волн.
В конструкторском разделе была рассмотрена конструкция и принцип работы волоконно - оптического датчика давления, также была построена 3И-модель в программе КОМПАС 17.1, исходя из которой, составлена спецификация и построен сборочный чертеж волоконно - оптического датчика давления, также были выполнены 4 рабочих чертежа некоторых деталей, а именно корпуса, мембраны, кожуха и крышки.
