ru en

    Направления исследований Направления

    Высокотемпературный волоконно-оптический датчик

    Измерение характеристик высокотемпературного потока газов - это многогранная задача, решение которой находит применение в различных областях промышленности. Классический метод измерения температуры - с использованием термопары - имеет ряд недостатков: чувствительный элемент необходимо располагать непосредственно в измеряемой области, что предъявляет высокие требования к материалам, из которых изготавливается датчик. Кроме того, качественное измерение резких изменений температур сильно зависит от теплопроводности используемых материалов. В отличие от термопар оптические методы измерения температуры позволяют устанавливать чувствительный элемент вне поля измерения, что позволяет избежать дополнительного воздействия на ламинарность потока газов. В рамках данного проекта на кафедре Оптических коммуникаций и измерительных систем совместно с ООО "Нева Технолоджи" при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение №14.578.21.0202 от "03" октября 2016 г.) ведутся работы, направленные на исследование и разработку высокотемпературного волоконно-оптического датчика для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей. Современный авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) представляет собой изделие со сложной структурой газодинамических потоков. Температура и давление в тракте ГТД существенно изменяются по длине и сечению тракта в зависимости от режима работы.   Контроль режима работы ГТД для оптимизации КПД и своевременного предотвращения нештатных и нежелательных ситуаций требует размещения большого количества контрольно-измерительной аппаратуры. Данная аппаратура должна решать задачи измерения температуры и давления по длине тракта ГТД. Наибольшие требования предъявляются к датчикам, размещаемым в камере сгорания ГТД, где происходит процесс воспламенения и сгорания топливовоздушной смеси при температурах 400 - 1800 °С. Применяющиеся на данный момент термопары обладают низким ресурсом работы, а также не позволяют производить монитроинг тепловых процессов в реальном времени.   Разрабатываемый датчик спектрального типа позволяет замерять следующие параметры работы ГТД и имеет следующие преимущества:      - замер температуры до 1800 °С;    - замер насыщенности топливно-воздушной смеси;    - замер спектров в видимом и ИК диапазонах;     - возможность установки датчика на летательный аппарат;    - частота регистрации данных 15 Гц.   Были проведены исследовательские испытания на базе пропановой горелки Мекера-Фишера и замерены спектры в видимой и ИК областях, показанные на рисунках ниже.   Температурный режим, установившийся в камере сгорания, позволяет получить информацию о следующих параметрах:      - ключевые рабочие характеристики ГТД (КПД, тягу двигателя);    - интенсивность процессов износа и коррозии наиболее ответственных узлов и деталей двигателя;    - информацию о полноте сгорания топлива.   Контроль режима, установившегося в камере сгорания ГТД, в перспективе позволяет существенно улучшить долговечность, надежность, снизить эксплуатационную стоимость и экологический вред от использования ГТД.   Использование датчиков на основе оптического волокна – это перспективный подход к высокотемпературным измерениям. Использование данной технологии позволяет создавать датчики для работы в экстремальных условиях в течение длительного времени. Традиционные волоконно-оптические датчики основаны на световодах из диоксида кремния. Верхний предел измерения температур для таких датчиков составляет 1200 °С. Для измерения более высоких температур, до 2000 °С, используются сапфировые волокна.   Принципиальная схема авиационного газотурбинного двигателя   В рамках первого этапа ПНИЭР выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в части волоконно-оптических устройств и оптических методов измерения высоких температур. Рассмотрены известные методы построения ВОД для измерения температур свыше 1000 , такие как: метод измерения излучения АЧТ, метод контроля сдвига резонансной длины волны ВБР, метод двухволновой пирометрии. Определены основные достоинства и недостатки исследуемых методов.   Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. В ходе патентных исследований рассмотрено 10 патентов. По результатам патентных исследований определена динамика патентования и выявлено, что разрабатываемое устройство обладает высокой конкурентоспособностью.   Разработаны специальные требования к оптическим световодам из материалов, сохраняющих работоспособность при рабочих температурах разрабатываемых ЧЭ ВВОД. Для решения данной задачи выполнен обзор существующих волоконных световодов, применяемых для создания ЧЭ ВВОД. Рассмотрены сапфировые ОВ, халькогенидные ОВ, а также высокотемпературные ОВ, разработанные для использования в составе композиционных материалов.   Выполнено обоснование направлений исследований ВВОД для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания ГТД. Рассмотрены существующие датчики: платина-платинородиевые термопары, вольфрамрений-вольфрамрениевые термопары, датчики пирометрического типа, а также их применение в составе испытательных стендов и в составе существующих двигателей. Предложен путь для коммерциализации результатов ПНИЭР.   В рамках второго этапа ПНИЭР были исследованы и промоделированы способы обеспечения требуемого срока эксплуатации ЧЭ ВВОД. В качестве ЧЭ ВВОД предполагается использовать стержень из лейкосапфира. При температурах до 1600°C данный материал сохраняет свои физико-химические характеристики. В рамках исследования обеспечения требуемого срока эксплуатации ЧЭ ВВОД проведено моделирование механических напряжений и процессов старения материалов в ЧЭ ВВОД в технологической оснастке.    В рамках совместной работы с индустриальным партнером ООО «Нева Технолоджи» были проделаны следующие работы:      - Разработаны требования по модернизации существующего стенда ГТД для установки на него разрабатываемого макета ВВОД. В качестве существующего стенда ГТД рассматривался стенд, соответствующий ГТД ТВ3-117, ВК-2500. Данные о стендах получены в рамках совместной работы с АО «ОДК-Климов». Основные требования касаются прокладки волоконно-оптического жгута по поверхности стенок ГТД и информационного сопряжения ВВОД с существующими стендовыми системами управления и контроля ГТД;        - Разработаны требования информационно-технического и электрического сопряжения разрабатываемых устройств со стендовыми и бортовыми системами ГТД. В рамках доработки макета ВВОД в рамках третьего этапа ПНИЭР должна быть обеспечена возможность выдачи выходного сигнала РБ ВВОД в виде низковольтного аналогового сигнала, аналогичного сигналу, принимаемому авиационными САУ от термоэлектрических преобразователей и существующих электрических датчиков.;        - Разработана Программа и методики исследовательских макета РБ и экспериментального образца ЧЭ, а также существующих датчиков, используемых в составе ГТД. В качестве существующего датчика была выбрана термопара Т-80-Т, используемая на ГТД ТВ3-117. Разработанные Программа и методики испытаний подразумевает выполнение следующих пунктов: проверка аппаратной части РБ ВВОД, проверка СПО макета РБ ВВОД, проверка частоты регистрации температуры, проверка диапазона регистрируемой температуры, оценка суммарной погрешности измерения в рабочем диапазоне температур;         - Проведены исследовательские испытаний макета РБ и экспериментального образца ЧЭ, а также существующих датчиков, используемых в составе ГТД. Показано, что разработанный макет РБ ВВОД и ЧЭ ВВОД обеспечивают измерение температуры в диапазоне от 400°C до 1000°C с погрешностью ±10°C. Частота измерения температуры составляет 15,6 Гц.   В рамках выполнения третьего этапа ПНИЭР были разработаны программы и методики исследовательских испытаний макета ВВОД в составе макета РБ и экспериментального образца ЧЭ, согласно которым были осуществлены исследовательские испытания макета ВВОД. Результатом проведения испытаний стали работы по доработке макета ВВОД: усовершенствование схемы питания макета ВВОД, доработка корпуса и оптической схемы, проведения калибровки массива ФПУ. В рамках исследовательских испытаний были также проведены измерения с использованием пропановой горелки Мекера-Фишера для отработки методики записи данных. Схема измерения и результаты измерений представлены на изображениях ниже       Схема измерения спектров излучения потоков газов в лабораторных условиях с использованием горелки Мекера-Фишера       Замеренные спектры излучения в видимом диапазоне при помощи спектрометра Авеста ASP-150T   Проведены исследовательские испытания макета ВВОД в составе стенда ГТД; результаты испытаний показали соответствие разработанного макета ВВОД указаным в техническом задании характеристикам. Разработан проекта технического задания на проведение ОКР по теме: «Исследование и разработка высокотемпературного волоконно-оптического датчика для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей».   Проведены работы по разработке КД и изготовлена технологическая оснастка для установки макета ВВОД на стенд ГТД. Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов, отражающая актуальность и уникальность проделанных работ. Проведены разработки предложений и рекомендаций по реализации (коммерциализации) результатов ПНИЭР, вовлечению их в хозяйственный оборот.   Промежуточные результаты работ по выполнению проекта были представлены на конференциях и опубликованы в соответствующих сборниках:   Сухинец А.В., Гурьев В.И., Смирнов Д.С., Дейнека И.Г., Мехреньгин М.В.Алгоритмы обработки данных высокотемпературного волоконно-оптического датчика температуры в режиме реального времени//Сборник тезисов VII Всероссийского конгресса молодых ученых - 2018 Сухинец А.В., Аксарин С.М., Гурьев В.И., Смирнов Д.С.Разработка датчика для спектрального мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей//Сборник тезисов VII Всероссийского конгресса молодых ученых - 2018 Mekhrengin M.V., Guryev V., Meshkovskii I.K., Smirnov D., Sukhinets A.V. Development of Sensor for Spectral Monitoring of Combustion Processes in Gas-Turbine Engines // Proceedings of 2018 IEEE East-West Design and Test Symposium, EWDTS 2018 - 2018, pp. 8524839

    Волоконно-оптический гироскоп

    Давно прошли те времена, когда капитаны кораблей отправлялись в дальнее плавание вооружившись лишь компасом и картой.  Сегодня ни одно морское или воздушное судно не мыслимо без современной навигационной системы, позволяющей в любой момент определить точное положение корабля в пространстве. В современных навигационных системах используется целый ряд различных датчиков, позволяющих определить положение подвижного объекта: спутниковая навигация (GPS, GLONASS), гироскопы, акселерометры, одометры и т.д. Однако специалисты знают, что независимую навигационную систему можно создать только на  основе инерциальные датчиков, таких как гироскопы и акселерометры.   Активное развитие и непрерывное совершенствование элементной базы волоконной и интегральной оптики в последние десятилетия привело к появлению нового типа инерциальных датчиков угловых перемещений – волоконно-оптическим гироскопам (ВОГ). Основными отличиями и преимуществами ВОГ по сравнению с механическими гироскопами являются: отсутствие подвижных деталей, устойчивость к ускорениям и вибрациям; малое время запуска; высокая чувствительность в широком диапазоне скоростей вращения; широкая полоса пропускания; высокая линейность передаточной характеристики; низкая потребляемая мощность; высокая надежность; большой срок службы (десятки лет); малые габариты и вес. В настоящее время ВОГ используются в качестве основного чувствительного элемента систем инерциальной навигации, систем ориентации и стабилизации положения объектов в пространстве.   Принцип работы ВОГ основан на эффекте Саньяка. На рисунке ниже представлена принципиальная схема такого прибора. Оптическое излучение от источника, проходя через  X-ответвитель попадает на вход интегрально-оптической схемы, разделяется на два луча, которые распространяются по волоконно-оптическому контуру во встречных направлениях. Если контур находится в покое, разность фаз между лучами отсутствует (Δφs = 0). При вращении контура относительно инерциальной системы отсчета возникает разность фаз Δφs пропорциональная скорости вращения ВОГ. Изменение разности фаз приводит к изменению мощности излучения детектируемой на фотоприемнике.     При кажущейся простоте принципов работы прибора и его высокой чувствительности к угловой скорости вращения, он в то же время чрезвычайно восприимчив к различным внешним воздействиям, что приводит к возникновению паразитного сигнала и, как следствие, к снижению точности измерений, поэтому проблема создания высокоточных ВОГ до сих пор остается актуальной. Более того, можно констатировать факт, что производить подобные устройства способны только высокоразвитые страны. C 2005г. в научно-исследовательском центре световодной фотоники (НИЦ Световодной фотоники) совместно с ЦНИИ "Концерн "Электроприбор" ведутся работы, направленные на создание волоконно-оптического гироскопа навигационного класса точности. В рамках этой работы сотрудниками и студентами кафедры в 2007-2008 гг. были разработаны и реализованы опытные образцы ВОГ, включающие в себя оптический контур, систему модуляции, электронику и программное обеспечение. Для решения каждой из перечисленных задач проделана огромная научно-исследовательская работа, написаны десятки статей и получено несколько патентов. Стоит отметить, что вопросу построения ВОГ посвящено несколько книг и монографий.       В 2013-2016 гг. при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект № 02.G25.31.0044) была проведена работа направленная на подготовку к серийному производству ВОГ класса точности 0.01 и 0.001о/ч, в которой Университет ИТМО в лице НИЦ Световодной фотоники был выбран основным соисполнителем работ по научной части.   Расширяющиеся области применения ВОГ требуют постоянной модернизации и доработки прибора (уменьшение массо-габаритных характеристик, расширение динамического диапазона, рабочих температур, допустимых максимальных ударных нагрузок и т.д.) поэтому работа над проектом ВОГ постоянно продолжается.

    Донная сейсмическая станция

    Рис.1. Изучение и освоение природных ресурсов   Арктический шельф наряду с Антарктидой остаются последними слабоизученными регионами планеты, при этом Арктика является уникальной сокровищницей полезных ископаемых, в первую очередь, нефти и газа. Россия, благодаря стараниям многих поколений своих сограждан, имеет выгодное географическое и геополитическое положение в арктическом секторе, которое может быть использовано как локомотив развития страны в 21 веке. Об этом уже много сказано, в том числе и на самом высоком уровне руководства Российской Федерации, и в дополнительном обосновании данный тезис не нуждается. Основной вопрос состоит в концепции освоения богатств северных морей, в частности, в технико-технологической реализации геологоразведочных работ.   Схема донного сейсмического мониторингаВ связи с тем, что в водном слое могут распространяться только волны давления, волновое поле, регистрируемое плавающими косами, уже изначально обделено отсутствием записей поперечных волн, которые в ряде случаев, например, в так называемых газовых трубках, являются единственным источником информации об изучаемом объекте. При расположении четырех компонентных (три геофона и гидрофон) сейсмических датчиков на морском дне данная проблема снимается, а это, в свою очередь, дает возможность рассчитать скорости распространения поперечных волн, выявить эффекты анизотропии, получить широкий набор дополнительных динамических атрибутов, оценить фациальный состав вещества и т.д. Корректная обработка и интерпретация всего дополнительного объема сейсмической информации, несомненно, приводит к построению более достоверной геолого-геофизической модели среды и, соответственно, к снижению последующих геологических рисков. Расположение регистрирующей аппаратуры на морском дне также улучшает качества приема сейсмической информации, свободного от влияний волнения моря, колебаний косы и так далее. Донные системы, как правило, обеспечивают непрерывную регистрацию, то есть, с одной стороны, отсутствует ограничение на длину записи сигналов, вызванных активными источниками – пневмопушками, а, с другой стороны, в ходе полевых работ есть возможность собрать значительные объемы сейсмических шумов естественного и техногенного происхождения, обработка которых также сделала огромный шаг вперед за последнее десятилетие. Рис.3. Вариант схемы сейсмического мониторинга (1 - источник мощного акустического импульса; 2 - массив донных станций)   Работы в научно-исследовательском центре Световодной Фотоники по тематике данного проекта начались с февраля 2013 года. Данный действующий макет проходил испытания на базе ОАО "Морская арктическая геологоразведочная экспедиция" в городе Мурманск. Преимуществами данной сейсмической станции являются высокая чувствительность в области низких частот, большой динамический диапазон измерений, низкая себестоимость по сравнению с аналогами, как российского, так и зарубежного производства».   На кафедре Световодной Фотоники Университета ИТМО создан действующий макет донной сейсмической станции, в состав которой входит волоконно-оптический гидрофон оригинальной конструкции и микромеханический геофон сейсмического класса.   Рис.4. Действующий макет донной сейсмической станции   Примеры сигналов полученных с гидрофона макета донной сейсмической станции           Рис.5. Непрерывный режим акустического излучения:частота 1 кГц, амплитуда 0,35 Па   Рис.6. Импульсный режим акустического излучения:частота 3 кГц, амплитуда 1,5 Па    

    Последние публикации Публикации

    2022 год
    • Волков А.В., Малмакин А.П., Ошлаков В.С.

      Волков А.В.Исследование влияния характеристик полупроводниковых лазерных источников на фазовый сигнал волоконно-оптического интерферометрического датчика//Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО - 2022. - С. 1-2

    • Kikilich N., Aleinik A., Pogudin G., Vostrikov E., Smolovik M., Vinogradov A., Zalesskaia I., Motorin E.

      Stabilization of the mean wavelength of an erbium-doped fiber source as part of high-accuracy FOG with increased spectrum width // Applied Optics - 2022, Vol. 61, No. 23, pp. 6827-6833

    2021 год
    • Профе П.В., Аксарин С.М., Грибаев А.И., Виссарионова Е.С.

      Расчет и оптимизация параметров оптической схемы волоконно-оптического пирометра спектрального типа - 2021

    • Nikiforovskii D., Smirnov D., Deyneka I., Nikitenko A., Rupasov A.

      The investigation of FOG output signal dependency on environment temperature at high rates of temperature change // Journal of Physics: Conference Series - 2021, Vol. 1864, No. 1, pp. 012009

    • Смирнов Д.С., Дейнека И.Г., Деветьяров Д.Р., Скляров Ф.В., Мухтубаев А.Б., Востриков Е.В.

      Оценка задержки детектирования температуры чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа [Estimation of temperature detection delay in a fiber optic gyroscope sensing coil] // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики [Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics] - 2021. - Т. 21. - № 6(136). - С. 817-822

    • Smirnov D., Deyneka I., Kulikov A., Strigalev V., Meshkovsky I.K.

      Methods for Studying Temperature Characteristics of a FOG Sensing Coil // 28th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2021 - 2021, pp. 9470869

    Информация © 2015-2023 Университет ИТМО
    Разработка © 2015 Департамент информационных технологий