eng
Выпуск #3/2021
О. В. Бурдышева, Е. С. Шолгин, А. Ю. Максимов
Оптимизация конструкции экспериментального отражательного элемента для амплитудного волоконно-оптического датчика вибрации отражательного типа
Оптимизация конструкции экспериментального отражательного элемента для амплитудного волоконно-оптического датчика вибрации отражательного типа
Просмотры: 2251
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.3.246.260
Работа посвящена разработке конструкции отражательного элемента для амплитудного волоконно-оптического датчика вибрации, а также тестированию работоспособности такой конструкции. В работе описана математическая модель поперечных колебаний, помогающая определить частоты резонанса в зависимости от длины свободного волокна. Реализована отражающая поверхность, представляющая собой периодическую структуру ниобата лития и участков, покрытых золотом. Представлена компоновка и конструкция датчика вибрации с возможностью перестройки частоты резонанса, а также продемонстрирована экспериментальная схема. Сигнал, полученный при помощи описанной схемы, поддается обработке преобразования Фурье, рассчитанные частоты совпадают с частотами колебаний источника вибраций. Получена амплитудно-частотная характеристика, частота резонанса коррелирует с частотами, полученными математической моделью (коэффициент корреляции Пирсона равен 0,977). Результаты реализации настоящей разработки важны для нового междисциплинарного направления – агробиофотоники, дают ключ к более тонкому и точному изучению виброчувствительности животных и вибротропизма растений.
Работа посвящена разработке конструкции отражательного элемента для амплитудного волоконно-оптического датчика вибрации, а также тестированию работоспособности такой конструкции. В работе описана математическая модель поперечных колебаний, помогающая определить частоты резонанса в зависимости от длины свободного волокна. Реализована отражающая поверхность, представляющая собой периодическую структуру ниобата лития и участков, покрытых золотом. Представлена компоновка и конструкция датчика вибрации с возможностью перестройки частоты резонанса, а также продемонстрирована экспериментальная схема. Сигнал, полученный при помощи описанной схемы, поддается обработке преобразования Фурье, рассчитанные частоты совпадают с частотами колебаний источника вибраций. Получена амплитудно-частотная характеристика, частота резонанса коррелирует с частотами, полученными математической моделью (коэффициент корреляции Пирсона равен 0,977). Результаты реализации настоящей разработки важны для нового междисциплинарного направления – агробиофотоники, дают ключ к более тонкому и точному изучению виброчувствительности животных и вибротропизма растений.
Теги: amplitude reflective type sensor fiber-optic sensor sensor vibration vibration monitoring vibration sensor амплитудный датчик отражательного типа вибрация вибромониторинг волоконно-оптический датчик датчик датчик вибрации
Оптимизация конструкции экспериментального отражательного элемента для амплитудного волоконно-оптического датчика вибрации отражательного типа
О. В. Бурдышева , Е. С. Шолгин , А. Ю. Максимов
Лаборатория агробиофотоники, Пермский ФИЦ УрО РАН, г. Пермь, Россия
Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, Пермский ФИЦ УрО РАН, г. Пермь, Россия
Работа посвящена разработке конструкции отражательного элемента для амплитудного волоконно-оптического датчика вибрации, а также тестированию работоспособности такой конструкции. В работе описана математическая модель поперечных колебаний, помогающая определить частоты резонанса в зависимости от длины свободного волокна.
Реализована отражающая поверхность, представляющая собой периодическую структуру ниобата лития и участков, покрытых золотом. Представлена компоновка и конструкция датчика вибрации с возможностью перестройки частоты резонанса, а также продемонстрирована экспериментальная схема. Сигнал, полученный при помощи описанной схемы, поддается обработке преобразования Фурье, рассчитанные частоты совпадают с частотами колебаний источника вибраций. Получена амплитудно-частотная характеристика, частота резонанса коррелирует с частотами, полученными математической моделью (коэффициент корреляции Пирсона равен 0,977). Результаты реализации настоящей разработки важны для нового междисциплинарного направления – агробиофотоники, дают ключ к более тонкому и точному изучению виброчувствительности животных и вибротропизма растений.
Ключевые слова: датчик, волоконно-оптический датчик, амплитудный датчик отражательного типа, датчик вибрации, вибрация, вибромониторинг
Статья получена:17.04.2021
Принята к публикации: 10.05.2021
ВВЕДЕНИЕ
Потребность технических устройств в датчиках стремительно растет в связи с развитием информационно-измерительных систем, автоматизированных систем контроля и управления производством. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать такими свойствами, как малый вес, небольшие габариты, малая потребляемая мощность, совместимость с микроэлектронными устройствами обработки информации. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики (ВОД) [1,2].
ВОД зачастую выполняются из материалов, являющихся диэлектриками, что исключает риск возникновения искры и как следствие возгорания, само же волокно устойчиво к коррозии и радиации. Также производство ВОД характеризуется хорошими показателями производительности и низкой стоимостью. ВОД могут находиться на большом расстоянии от контролируемого объекта, возможно последовательное соединение множества чувствительных элементов в одну линию, существуют также распределенные волоконно-оптические датчики [1, 3–5]. Особенно интересно их использование в такой новой междисциплинарной области, как мониторинг акустических полей флоры и фауны различных природных локаций (в области физиологии и регуляции роста растений, зоологии, агробиофотоники, аквакультуры, продуктивности молочного животноводства и т. д.).
Так, известно, что растения чувствительны к вибрации воды, почвы, насекомых – опылителей насекомых, поедающих растения, и реагируют на эти воздействие движением – тропизмами и синтезом протекторных метаболитов [6, 7]. В частности, среди корневых тропизмов обнаружено движение растений в направлении вибраций, образуемых текущей водой, но звукозапись текущей воды такой реакции не вызывала, следовательно, растение реагирует на низкочастотные механические колебания [6, 8]. Однако отсутствие высокочувствительных датчиков, работа которых не зависит от внешних электрических полей и электромагнитных колебаний, звуковых помех, высокой влажности и угрозы биоповреждений, ограничивает развитие таких исследований. Также известна чувствительность животных к вибрациям и нерегулярным механическим колебаниям, вызванным другими живыми системами, а также природными и антропогенными явлениями, такими как тектонические явления, природные, биогенные и техногенные колебания земли и водной среды. Особенно важны они для гидробионтов [9, 10]. Данные явления также недостаточно изучены, а их понимание, кроме новых фундаментальных знаний, дает возможность использования для повышения продуктивности сельскохозяйственного производства.
Результаты реализации настоящей разработки являются важными для нового междисциплинарного направления – агробиофотоники, дают ключ к более тонкому и точному изучению виброчувствительности животных и вибротропизма растений, к использованию данного феномена для управления ростом и продуктивностью культурных растений как в условиях светокультуры, так и в условиях открытого грунта, разведением и увеличением продуктивности сельскохозяйственных животных и аквакультуры.
Дальнейшим направлением работы является реализация конструкции с возможностью регистрации двух осей вибрации. Также в работе [11] была продемонстрирована возможность мультиплексирования, которая может быть адаптирована под представленный чувствительный элемент, что открывает возможность дальнейшей модернизации.
Для решения задач мониторинга акустических полей флоры и фауны технически сложно использовать устройства на основе распределенных сенсоров, работающих на сверхслабых сигналах обратного рассеяния, которые требуют сложной обработки для получения информации. В таких случаях лучшими практическими решениями будут либо квазираспределенные датчики, либо массивы точечных сенсоров. Квазираспределенные датчики требуют достаточно серьезной и дорогостоящей аппаратной базы, в то время как простые точечные ВОД могут стать оптимальным решением.
В измерительной технике наиболее простые ВОД в обработке выходного сигнала считают те, которые основаны на амплитудной модуляции. Схемы амплитудной модуляции не предъявляют практически никаких специальных требований к источнику или к приемнику излучения [3, 12]. Также ВОД нуждаются в дополнительной схеме, обрабатывающей выходной сигнал датчика, так как амплитудно-модулированный сигнал непосредственно регистрируется с помощью обычного фотоприемника [1, 13]. В работе [3] подробно рассмотрены физические основы способов модуляции амплитуды, также рассмотрены вопросы построения амплитудных датчиков и их классификация.
В волоконно-оптических датчиках открытого типа [1] отражающая поверхность – самая сложная и дорогая часть. Форма и ее отражающие свойства подвержены непредсказуемым изменениям из-за температурных флуктуаций, что может резко снизить эффективность датчика. В связи с этим актуальна задача создания отражающего элемента для ВОД, которые имеют более простую конструкцию и низкую стоимость производства.
Исследованиями в этом направлении идут по пути проведения математического моделирования конструкции ВОД с целью подбора оптимальных параметров, обеспечивающих максимальную чувствительность [14–24], и по пути создания структуры отражательного элемента [25–27]. Известен ряд работ, направленных на оптимизацию схем волоконно-оптических датчиков с линзой [14–19]. Результаты математического моделирования позволили подобрать такие рабочие параметры волоконно-оптических преобразователей, которые обеспечивают максимальную чувствительность.
В работах [20–23] по усовершенствованию конструкций волоконно-оптических преобразователей отражательного типа модуляция осуществляется благодаря изменению положения отражающей (зеркальной) поверхности, это в основном датчики давления.
В работах представлены результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований характеристик датчиков при варьировании их геометрических и оптических параметров. Результатом работ стало улучшение метрологических характеристик, снижение оптических потерь, увеличение чувствительности датчиков.
Интерес представляют результаты работы, посвященные моделированию параметров волоконно-оптических преобразователей с отражательным аттенюатором [24]. Внимание обращено на моделирование параметров периодической структуры, которые придают датчику максимальную чувствительность.
Результаты работ [14–24] по теоретическим основам моделирования амплитудных волоконно-оптических преобразователей (ВОП) могут быть использованы для моделирования новых ВОП. Кроме увеличения эффективности ВОП путем оптимизации рабочих параметров конструкций, ставших уже стандартными, известны работы, использующие изменение структуры отражательного элемента [25–27].
Авторами патента волоконно-оптического датчика микроперемещений [28] была предложена конструкция отражательного элемента в виде плоского рельефного элемента (рис. 1). В ней повышение чувствительности идет за счет снижения оптических потерь путем согласования модовой структуры отраженного излучения с приемным световодом.
Пучок излучения, формируемый световодом 1, преобразуется отражающим элементом 4 и возбуждает излучение в световоде 2. Внешние воздействия, приводящие к перемещению отражателя 4, обуславливают модуляцию интенсивности направленных мод световода 2.
В работе приведены формулы расчета высоты рельефа отражающей пластины и общего размера отражающего элемента. Но из-за специфичной формы данный отражательный элемент сложно изготавливать. Авторы [28] не представили конструктивное решение датчика, в котором может функционировать данный отражательный элемент. Из описания патента неясно, каким образом выглядит механизм преобразования, поэтому не так очевидны границы применимости и чувствительность такого в. о. п.
Авторы [29] закрепили свое конструктивное решение сенсора патентом «Reflective element for fiber optic sensor». В нем предложено использовать многоступенчатый отражательный элемент (рис. 2). Изобретение основано на обратном отражении луча от поверхности стекла с участками различного коэффициента отражения и прохождении этого луча в волокно. При возникновении вибрации торец волокна начинает совершать колебания, вследствие чего отклоняется от первоначального положения. При пересечении границы участка интенсивность отраженного луча изменяется и, попадая обратно в волновод ВОД, детектируется фотоприемником. Создание аттенюаторных зон строго регламентируется углом наклона в 70 градусов. И хотя конструкция выполняется при помощи технологии травления, процесс изготовления сложно назвать простым.
В работе [30] представлен волоконно-оптический датчик, использующий пропускающую решетку периодической структуры, зеркало и композитный металлический элемент чувствительный к изменению температуры. Для регистрации вибрации используется конструкция, в которой решетка закрепляется на пружину, и при воздействии вибрации решетка отклоняется от положения равновесия, тем самым модулирует сигнал. Такая конструкция схожа с рассматриваемыми моделями датчиков, однако периодическая структура использована не в качестве отражающего элемента, а как преграда между волокном и отражающей поверхностью.
Анализируя ландшафт работ по оптимизации параметров амплитудных волоконно-оптических датчиков с простой конструкцией и низкой стоимостью, мы убедились, что для них задача создания отражающих элементов, обладающих чувствительностью к определенным физическим воздействиям, пока не решена.
Поэтому целью нашей работы стало создание отражающего элемента для амплитудных ВОД вибрации отражательного типа и проверка работоспособности предложенной отражающей структуры. Для этого был собран экспериментальный макет датчика вибрации и проведены серии экспериментов.
ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ
Эксперимент направлен на подбор структуры отражающей поверхности для поиска оптимального способа измерения колебаний при одноосевом воздействии. Отражающий элемент может быть представлен различными структурами. Предлагаемый отражающий элемент представляет собой периодическую структуру (рис. 3) в виде чередования полос ниобата лития (LiNbO3) с коэффициентом отражения k1 = 0,04 и золота с коэффициентом отражения k2 = 0,96.
Анализ распределения интенсивности излучения на выходе оптического волокна показал, что оно соответствует гауссову распределению, и свет будет выходить из световода в пределах числовой апертуры:
.
В зависимости от расстояния от торца волокна до отражающей поверхности (L) и значения числовой апертуры (NA) можно рассчитать радиус «светового» пятна R и тем самым определить, какой ширины должны быть полоски золота и ниобата лития. Для того чтобы центральная часть гауссова пучка попадала полностью на одну полосу, ширина полос золота и ниобата должна быть 2 R. В соответствии с геометрической схемой (рис. 4) между параметрами должны выполняться следующие условия:
,
.
Для обеспечения чувствительности к малым амплитудам колебаний (порядка одного микрометра) необходимо, чтобы центр световода был направлен на границу раздела полос золото / ниобат лития. Так как распределение интенсивности в световом пучке соответствует гауссову распределению, то максимальная интенсивность сосредоточена в центре пучка. Благодаря предложенной схеме измерение производится только в установленном направлении, перпендикулярном направлению штрихов.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Реализован экспериментальный макет амплитудного волоконно-оптического датчика вибрации отражательного типа (рис. 5). Принцип действия чувствительного элемента состоит в следующем. Первоначально оптическое излучение от источника по световоду передается к отражающей пластине в виде полос с разным коэффициентом отражения. Затем отраженный свет частично возвращается в световод и передается на фотоприемный модуль. При действии внешнего вибрационного источника свободный конец волокна совершает колебания. В результате колебательных движений торца отраженный сигнал, принимаемый фотоприемником, оказывается промодулированным.
В изготовленном экспериментальном образце датчика существует возможность перестройки параметров чувствительного элемента: длины свободного оптического волокна, расстояния до отражающей поверхности, смещения отражающей поверхности по двум осям, замены отражающей пластины.
Структурная схема экспериментальная установка ВОД для тестирования отражающей поверхности (рис. 6) содержит источник излучения с длиной волны λ = 1 550 нм (ИИ); чувствительный элемент (ЧЭ); источник вибрации TIRA Power Amplifier type BAA 120 (ИВ); генератор частот GW Instek GFG-3015 (ГЧ), задающий сигнал для источника вибрации; осциллограф LeCroy WA 232 (О), визуализирующий сигнал с фотоприемного модуля HCA-S‑200M-IN-FC (ФПМ).
Результат эксперимента представлен на рис. 7. Видно, что генерируемый сигнал (а) в 100 Гц (дорезонансная частота) коррелирует (коэффициент корреляции Пирсона равен 0,78) с регистрируемым сигналом фотоприемника (b).
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
Для определения параметров чувствительного элемента волоконно-оптического датчика и разработки его математической модели были рассмотрены поперечные вибрации волоконного световода, закрепленного с одной стороны в чувствительной части разработанного датчика вибрации. При этом учитывались его форма, размеры и материал, использовалась теория механических колебаний балки постоянного сечения [31, 32]. Для моделирования колебаний световода использовалось дифференциальное уравнение поперечных колебаний для однородной балки постоянного сечения:
,
где m0 – масса световода; uy(x,t) – локальное поперечное смещение волокна в направлении, перпендикулярном оси волокна, зависящее от координаты x и от времени t; E – модуль Юнга; Jz – момент инерции относительно главной центральной оси поперечного сечения; qy – интенсивность возмущающей силы.
Возмущающая нагрузка учитывается в граничных условиях, установившиеся вынужденные колебания будут совершаться с частотой возмущающей силы. Поэтому уравнение движения волокна будет описываться как произведение амплитудной части смещения u(х) и гармонической функции
.
Для верификации математической модели экспериментально определена амплитудно-частотная характеристика (рис. 8). Из функциональной зависимости видно, что амплитуда медленно нарастает с ростом частоты вплоть до границы резонанса, где амплитуда резко увеличивается после прохождения зоны резонанса, амплитуда возвращается на уровень до резонанса и практически не меняется, резонансная частота f ≈ 800 Гц.
Инерционной массой в датчике является само волокно. При воздействии на ЧЭ виброускорения свободный конец волокна будет отклоняться, представляя собой гармонический осциллятор. Параметры оптического волокна и характеристики кварца: r = 2 203 кг / м3 – плотность кварцевого волокна; E = 58 ГПа – технический модуль Юнга для кварцевого стекла; d = 125 мкм; l = 10 мм – длина консольной части опытного образца;
Собственные частоты колебательной системы определяются выражением:
Гц.
На рис. 9 представлена теоретическая зависимость собственной частоты от длины свободного волокна, из которого видно, что более привлекательными за счет дальнего резонанса являются малая длина свободного волокна. Но такие длины будут обладать малой сейсмической массой и большой жесткостью, что приведет к снижению чувствительности датчика такой конструкции. Видно, что теоретическая собственная частота колебаний коррелирует с полученными данными резонансных частот (коэффициент корреляции Пирсона равен 0,977). Учитывая результаты математической модели и результаты, полученные опытным путем, была подобрана длина свободного волокна, равная 10 мм, так как на данной длине сейсмическая масса и жесткость позволяют проводить измерения при малых амплитудах.
Заключение
В результате проведенной работы предложен отражающий элемент в виде периодической структуры. Данный отражающий элемент прост в конструкции, благодаря своей периодической структуре и расположению штрихов регистрируется только одна ось вибрации, а юстировка на раздел сред позволяет обеспечить чувствительность к малым смещениям порядка микрометра. Из представленных в работе данных очевидно, что эксплуатационные характеристики макета удовлетворительно соответствуют требованиям к ВОД схожих типов, при этом в работе [30] используется в качестве упругого элемента не волокно, (которое является достаточно надежным материалом – однородным, упругим со стекловидной структурой), что усложняет и увеличивает стоимость такой конструкции. Кроме того, в большинстве известных авторам работ предъявляются высокие требования к изготовлению отражательного элемента, в работе [29] датчик производит измерение вибрации в диапазоне 5–1 000 Гц, однако зона аттенюации регламентирована углом в 70 градусов и имеет многоступенчатый профиль.
В настоящей работе использовался отражательный элемент, периодическая структура в котором создавалась путем пропила под прямым углом. Также зачастую в конструкции чувствительного элемента присутствуют и излучающее волокно, и принимающее. Поэтому в работе предложена конструкция, содержащая комбинацию в одном волокне приемника и передатчика. Отражающая поверхность, как и чувствительный элемент, основанный на ее использовании, просты в изготовлении, при этом чувствительный элемент, использующий в своей конструкции предлагаемую отражающую пластину, сохранил малый вес и габариты.
Созданный авторами экспериментальный чувствительный элемент имеет резонанс в 800 Гц, что метрологически является верхней границей измерений, однако в настоящей работе использовался экспериментальный макет, представляющий собой не монолитную конструкцию, а составную платформу с возможностью перестройки параметров, подобное исполнение негативно сказывается на измерительном диапазоне.
Реализованный экспериментальный образец датчика вибрации планируется применять в исследованиях, относящихся к новому междисциплинарному направлению агробиофотоники, в вопросах управления развитием корневой системы и увеличения продуктивности сельскохозяйственных растений воздействием вибрации, проведении исследований по сортовому физиологическому ответу в диапазоне амплитуд вибрации 0,1–5 мм. В патенте [33] описан способ воздействия на почву вибрацией частотой 5–10 Гц и амплитудой 0,5–1 мм, в результате чего формируется плоская корневая система, способствующая росту растения (в данном случае − томат, болгарский перец).
Также планируется продолжить исследования по отработке технологии повышения зерновой продуктивности при вибрационном воздействии. Основанием для этого стали результаты исследований [34], проведенных в 2007–2009 годах, когда семена яровой и озимой пшеницы подвергались вибрации с частотой 70 Гц и амплитудой 0,5 мм в течение 12 и 14 часов. Был продемонстрирован эффект вибрационной обработки семян пшеницы, который проявлялся: в ускорении перехода растений к генеративной фазе развития; в усилении роста побегов; в стимулировании кущения и в увеличении зерновой продуктивности растений. Полученные данные указывают, что такой динамический фактор, как вибрация, воздействует на эпигенетическом уровне. Вибрационная обработка семян пшеницы не вызвала увеличения числа хромосомных перестроек, что подтвердило ранее известные факты об отсутствии влияния вибрации на перестройки хромосом.
Финансирование
Работа выполнена в рамках государственного задания с номером государственной регистрации темы AAAA-A19-119051390040-5.
REFERENCES
Мурашкина Т. И., Бадеева Е. А. Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ «Наноwтехнологии волоконно-оптических систем» Пензенского государственного университета». Ч. I. – С-Пб.: Политехника. 2018. 187 с.
Гармаш В. Б., Егоров Ф. А., Коломиец Л. Н., Неугодников А. П., Поспелов В. И. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении. Фотон-экспресс. 2005; 6: 128–140.
Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.
Джексон Р. Г. Новейшие датчики / пер. с англ. под ред. В. В. Лучинин – М: Техносфера. 2007. 384 с.
Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон. – Л.: Энергоатомиздат. 1990. 256 с.
Appel H. M, Cocroft R. B. Plants respond to leaf vibrations caused by insect herbivore chewing. Oecologia 2014;175:1257–1266.
Gagliano, M., Grimonprez, M., Depczynski, M. et al. Tuned in: plant roots use sound to locate water. Oecologia. 2017;184:151–160.
Muthert L., Izzo L. G., van Zanten M., Aronne G. Root Tropisms: Investigations on Earth and in Space to Unravel Plant Growth Direction. Frontiers in plant science. 2020; 10;1807.
Bouffanais R., Weymouth G. D. and Yue Dick K. P. Hydrodynamic object recognition using pressure sensing. Proc. R. Soc. A. 2011; 467:19–38.
Yoshizawa M., Jeffery W. R., van Netten S. M., McHenry M. J. The sensitivity of lateral line receptors and their role in the behavior of Mexican blind cavefish (Astyanax mexicanus). J. Exp. Biol. 2014; 217(Pt 6):886–895.
Lee Y.-G., Kim D.-H., Kim J.-H., Kim Y.-Y., Kim C.-G. Wavelength division multiplexing technique for grating panel-based fiber optic sensor. OFS2012 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors. 2012. doi:10.1117/12.975145.
Кузнецов В. П., Иванов А. А., Кудряшов Б. П. Проектирование средств измерения параметров технологических объектов на основе волоконно-оптических преобразователей. – Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та. 2013; 84.
Todd M. D., Johnson G. A. Vohra S. T. Deployment of Fiber Bragg Grating-Based Measurement System in a Structural Health Monitoring Application. Smart Materials and Structures. 2001;10:534–539.
Вознесенская А. О., Мешковский И. К., Миронов С. А., Попков О. С. Оптимизация схемы амплитудного волоконно-оптического преобразователя отражательного типа. Оптический журнал. 2007; 74(6): 31–35.
Голубинский Ю. М., Зуев В. Д., Кривулин Н. П. Математическая модель волоконно-оптического датчика перемещения со сферической линзой. Датчики и системы. 2009; 3: 15–18.
Зуев В. Д., Кривулин Н. П., Волков В. С., Мурашкина Т. И. Методика определения конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя с управляющим элементом в виде шаровой линзы. Авиакосмическое приборостроение. 2008;10: 27–29.
Guzowski B., Lakomski M. Realization of fiber optic displacement sensors. Optical Fiber Technology, 2018; 41: 34–39. doi:10.1016/j.yofte.2017.12.018.
Murashkina T. I., Motin A. V., Badeeva E. A. Mathematical simulation of the optical system of a fiber-optic measuring micro motion converter with a cylindrical lens modulation element / Journal of Physics: Conference Series (JPCS): 012101 – January 2017. – Vol. 803(1). – The IV Mezhd. Conf. «Information technologies in the industry and production» ITBI – 2016.
Мотин А. В., Белов В. Н., Мурашкина Т. И. Определение конструктивных параметров оптической системы волоконно-оптического преобразователя микроперемещения для датчика ускорения с модулирующим элементом в виде цилиндрической линзы. Материалы конференции: Волоконно-оптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении («СВЕТ_2018»). 2018;14–19.
Бадеева Е. А. Конструирование волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа. Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: науч. тр. – М.: Росавиакосмос: ГОУ ВПО МГУЛ. 2005; 7: 202–213.
Бростилова Т. Ю., Бростилов С. А., Кусаинов А. В., Серсенбеков С. Ж.,. Байсанов А. З. Методика расчета конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя давления. Инновационные, информационные и коммуникационные технологии. 2016; 1: 401–404.
Вознесенская А. О. Амплитудный волоконно-оптический преобразователь отражательного типа для датчика давления. Известия вузов. Приборостроение. 2012; 55(4): 60–64.
Бадеева Е. А. Научная концепция проектирования волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом для ракетно-космической и авиационной техники. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2016; 4 (40):102–113.
Кривулин Н. П., Крупкина Т. Ю., Мурашкина Т. И. Методика расчета и выбора конструктивных параметров оптической системы волоконно-оптического преобразователя давления с отражательным аттенюатором. Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2008; 1: 322–325.
Li Y., Guan K., Hu Z., Chen Y. An Optical Fiber Lateral Displacement Measurement Method and Experiments Based on Reflective Grating Panel. Sensors. 2016; 16(6): 808. doi:10.3390/s16060808/
Lee Y.-G., Park S.-O., Kim D.-H., Jang B.-W., Kim C.-G. Characteristics of reflection-type optical fiber sensor system using one grating panel. Sensors and Smart Structures Technologies for Civil. Mechanical, and Aerospace Systems. 2009. doi: 10.1117/12.817003
Lee Y.-G., Kim Y.-Y., Kim C.-G. Fiber optic displacement sensor with a large extendable measurement range while maintaining equally high sensitivity, linearity, and accuracy. Review of Scientific Instruments. 2012; 83(4), 045002. doi: 10.1063/1.3698586.
Патент РФ 1606853. Волоконно-оптический датчик микроперемещений / Аджалов В.И., Голуб М. А., Сисакян И. Н., Сойфер В. А.
Patent № 008995798. Reflective element for fiber optic sensor / Alexander Paritsky, Alexander Kots, Yuvi Kahana.
Patent № 8934740B2. Fiber optic sensor using transmissive grating panel and mirror / Chun-Gon Kim, Yeon-Gwan Lee, Byeong-Wook Jang, Jin-Hyuk Kim, Yoon-Young Kim.
Хазанов Х. С. Механические колебания систем с распределенными параметрами. –Самара: СГАУ. 2002. 80 с.
Сагирова А. Р., Никулин И. Л. Моделирование волоконно-оптического датчика вибрации. Материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых с междунар. участием (г. Пермь, 15–18 мая 2019 г.) / гл. ред. А. П. Шкарапута. – Электронное издание. – Пермь: ПГНИУ.2019. 428 с.
Патент РФ 2603589. Способ управления развитием корневой системы растений воздействием вибрации / Шапин В. И., Огурцов Ф. Б.
Делоне Н. Л., Беркович Ю. А., Смолянина С. О., Зяблова Н. В., Соловьев А. А., Большакова Л. С. Стимуляция роста у пшеницы под воздействием вибрации. Доклады Академии наук. 2010; 434(3): 424–426.
АВТОРЫ
Бурдышева Ольга Васильевна, м.н.с., Лаборатория агробиофотоники, Пермский ФИЦ УрО РАН, Пермь, Россия. Научные интересы: волоконная оптика, волоконно-оптические датчики; корреспондирующий автор, e-mail: Burdyshevaolga@gmail.com.
ORCID: 0000-0002-7395-4361
Шолгин Евгений Сергеевич, м.н.с., Лаборатория агробиофотоники, Пермский ФИЦ УрО РАН, Пермь, Россия. Научные интересы: волоконная оптика, волоконно-оптические датчики; e-mail: Faler01@yandex.ru.
ORCID: 0000-0002-8068-8815
Максимов Александр Юрьевич, к. б. н., заведующий лабораторией, Лаборатория агробиофотоники, Пермский ФИЦ УрО РАН, с.н.с., Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, Пермский ФИЦ УрО РАН, Пермь, Россия.
ORCID: 0000-0003-2591-3351
WOS Research ID T-8070-2017
О. В. Бурдышева , Е. С. Шолгин , А. Ю. Максимов
Лаборатория агробиофотоники, Пермский ФИЦ УрО РАН, г. Пермь, Россия
Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, Пермский ФИЦ УрО РАН, г. Пермь, Россия
Работа посвящена разработке конструкции отражательного элемента для амплитудного волоконно-оптического датчика вибрации, а также тестированию работоспособности такой конструкции. В работе описана математическая модель поперечных колебаний, помогающая определить частоты резонанса в зависимости от длины свободного волокна.
Реализована отражающая поверхность, представляющая собой периодическую структуру ниобата лития и участков, покрытых золотом. Представлена компоновка и конструкция датчика вибрации с возможностью перестройки частоты резонанса, а также продемонстрирована экспериментальная схема. Сигнал, полученный при помощи описанной схемы, поддается обработке преобразования Фурье, рассчитанные частоты совпадают с частотами колебаний источника вибраций. Получена амплитудно-частотная характеристика, частота резонанса коррелирует с частотами, полученными математической моделью (коэффициент корреляции Пирсона равен 0,977). Результаты реализации настоящей разработки важны для нового междисциплинарного направления – агробиофотоники, дают ключ к более тонкому и точному изучению виброчувствительности животных и вибротропизма растений.
Ключевые слова: датчик, волоконно-оптический датчик, амплитудный датчик отражательного типа, датчик вибрации, вибрация, вибромониторинг
Статья получена:17.04.2021
Принята к публикации: 10.05.2021
ВВЕДЕНИЕ
Потребность технических устройств в датчиках стремительно растет в связи с развитием информационно-измерительных систем, автоматизированных систем контроля и управления производством. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать такими свойствами, как малый вес, небольшие габариты, малая потребляемая мощность, совместимость с микроэлектронными устройствами обработки информации. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики (ВОД) [1,2].
ВОД зачастую выполняются из материалов, являющихся диэлектриками, что исключает риск возникновения искры и как следствие возгорания, само же волокно устойчиво к коррозии и радиации. Также производство ВОД характеризуется хорошими показателями производительности и низкой стоимостью. ВОД могут находиться на большом расстоянии от контролируемого объекта, возможно последовательное соединение множества чувствительных элементов в одну линию, существуют также распределенные волоконно-оптические датчики [1, 3–5]. Особенно интересно их использование в такой новой междисциплинарной области, как мониторинг акустических полей флоры и фауны различных природных локаций (в области физиологии и регуляции роста растений, зоологии, агробиофотоники, аквакультуры, продуктивности молочного животноводства и т. д.).
Так, известно, что растения чувствительны к вибрации воды, почвы, насекомых – опылителей насекомых, поедающих растения, и реагируют на эти воздействие движением – тропизмами и синтезом протекторных метаболитов [6, 7]. В частности, среди корневых тропизмов обнаружено движение растений в направлении вибраций, образуемых текущей водой, но звукозапись текущей воды такой реакции не вызывала, следовательно, растение реагирует на низкочастотные механические колебания [6, 8]. Однако отсутствие высокочувствительных датчиков, работа которых не зависит от внешних электрических полей и электромагнитных колебаний, звуковых помех, высокой влажности и угрозы биоповреждений, ограничивает развитие таких исследований. Также известна чувствительность животных к вибрациям и нерегулярным механическим колебаниям, вызванным другими живыми системами, а также природными и антропогенными явлениями, такими как тектонические явления, природные, биогенные и техногенные колебания земли и водной среды. Особенно важны они для гидробионтов [9, 10]. Данные явления также недостаточно изучены, а их понимание, кроме новых фундаментальных знаний, дает возможность использования для повышения продуктивности сельскохозяйственного производства.
Результаты реализации настоящей разработки являются важными для нового междисциплинарного направления – агробиофотоники, дают ключ к более тонкому и точному изучению виброчувствительности животных и вибротропизма растений, к использованию данного феномена для управления ростом и продуктивностью культурных растений как в условиях светокультуры, так и в условиях открытого грунта, разведением и увеличением продуктивности сельскохозяйственных животных и аквакультуры.
Дальнейшим направлением работы является реализация конструкции с возможностью регистрации двух осей вибрации. Также в работе [11] была продемонстрирована возможность мультиплексирования, которая может быть адаптирована под представленный чувствительный элемент, что открывает возможность дальнейшей модернизации.
Для решения задач мониторинга акустических полей флоры и фауны технически сложно использовать устройства на основе распределенных сенсоров, работающих на сверхслабых сигналах обратного рассеяния, которые требуют сложной обработки для получения информации. В таких случаях лучшими практическими решениями будут либо квазираспределенные датчики, либо массивы точечных сенсоров. Квазираспределенные датчики требуют достаточно серьезной и дорогостоящей аппаратной базы, в то время как простые точечные ВОД могут стать оптимальным решением.
В измерительной технике наиболее простые ВОД в обработке выходного сигнала считают те, которые основаны на амплитудной модуляции. Схемы амплитудной модуляции не предъявляют практически никаких специальных требований к источнику или к приемнику излучения [3, 12]. Также ВОД нуждаются в дополнительной схеме, обрабатывающей выходной сигнал датчика, так как амплитудно-модулированный сигнал непосредственно регистрируется с помощью обычного фотоприемника [1, 13]. В работе [3] подробно рассмотрены физические основы способов модуляции амплитуды, также рассмотрены вопросы построения амплитудных датчиков и их классификация.
В волоконно-оптических датчиках открытого типа [1] отражающая поверхность – самая сложная и дорогая часть. Форма и ее отражающие свойства подвержены непредсказуемым изменениям из-за температурных флуктуаций, что может резко снизить эффективность датчика. В связи с этим актуальна задача создания отражающего элемента для ВОД, которые имеют более простую конструкцию и низкую стоимость производства.
Исследованиями в этом направлении идут по пути проведения математического моделирования конструкции ВОД с целью подбора оптимальных параметров, обеспечивающих максимальную чувствительность [14–24], и по пути создания структуры отражательного элемента [25–27]. Известен ряд работ, направленных на оптимизацию схем волоконно-оптических датчиков с линзой [14–19]. Результаты математического моделирования позволили подобрать такие рабочие параметры волоконно-оптических преобразователей, которые обеспечивают максимальную чувствительность.
В работах [20–23] по усовершенствованию конструкций волоконно-оптических преобразователей отражательного типа модуляция осуществляется благодаря изменению положения отражающей (зеркальной) поверхности, это в основном датчики давления.
В работах представлены результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований характеристик датчиков при варьировании их геометрических и оптических параметров. Результатом работ стало улучшение метрологических характеристик, снижение оптических потерь, увеличение чувствительности датчиков.
Интерес представляют результаты работы, посвященные моделированию параметров волоконно-оптических преобразователей с отражательным аттенюатором [24]. Внимание обращено на моделирование параметров периодической структуры, которые придают датчику максимальную чувствительность.
Результаты работ [14–24] по теоретическим основам моделирования амплитудных волоконно-оптических преобразователей (ВОП) могут быть использованы для моделирования новых ВОП. Кроме увеличения эффективности ВОП путем оптимизации рабочих параметров конструкций, ставших уже стандартными, известны работы, использующие изменение структуры отражательного элемента [25–27].
Авторами патента волоконно-оптического датчика микроперемещений [28] была предложена конструкция отражательного элемента в виде плоского рельефного элемента (рис. 1). В ней повышение чувствительности идет за счет снижения оптических потерь путем согласования модовой структуры отраженного излучения с приемным световодом.
Пучок излучения, формируемый световодом 1, преобразуется отражающим элементом 4 и возбуждает излучение в световоде 2. Внешние воздействия, приводящие к перемещению отражателя 4, обуславливают модуляцию интенсивности направленных мод световода 2.
В работе приведены формулы расчета высоты рельефа отражающей пластины и общего размера отражающего элемента. Но из-за специфичной формы данный отражательный элемент сложно изготавливать. Авторы [28] не представили конструктивное решение датчика, в котором может функционировать данный отражательный элемент. Из описания патента неясно, каким образом выглядит механизм преобразования, поэтому не так очевидны границы применимости и чувствительность такого в. о. п.
Авторы [29] закрепили свое конструктивное решение сенсора патентом «Reflective element for fiber optic sensor». В нем предложено использовать многоступенчатый отражательный элемент (рис. 2). Изобретение основано на обратном отражении луча от поверхности стекла с участками различного коэффициента отражения и прохождении этого луча в волокно. При возникновении вибрации торец волокна начинает совершать колебания, вследствие чего отклоняется от первоначального положения. При пересечении границы участка интенсивность отраженного луча изменяется и, попадая обратно в волновод ВОД, детектируется фотоприемником. Создание аттенюаторных зон строго регламентируется углом наклона в 70 градусов. И хотя конструкция выполняется при помощи технологии травления, процесс изготовления сложно назвать простым.
В работе [30] представлен волоконно-оптический датчик, использующий пропускающую решетку периодической структуры, зеркало и композитный металлический элемент чувствительный к изменению температуры. Для регистрации вибрации используется конструкция, в которой решетка закрепляется на пружину, и при воздействии вибрации решетка отклоняется от положения равновесия, тем самым модулирует сигнал. Такая конструкция схожа с рассматриваемыми моделями датчиков, однако периодическая структура использована не в качестве отражающего элемента, а как преграда между волокном и отражающей поверхностью.
Анализируя ландшафт работ по оптимизации параметров амплитудных волоконно-оптических датчиков с простой конструкцией и низкой стоимостью, мы убедились, что для них задача создания отражающих элементов, обладающих чувствительностью к определенным физическим воздействиям, пока не решена.
Поэтому целью нашей работы стало создание отражающего элемента для амплитудных ВОД вибрации отражательного типа и проверка работоспособности предложенной отражающей структуры. Для этого был собран экспериментальный макет датчика вибрации и проведены серии экспериментов.
ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ
Эксперимент направлен на подбор структуры отражающей поверхности для поиска оптимального способа измерения колебаний при одноосевом воздействии. Отражающий элемент может быть представлен различными структурами. Предлагаемый отражающий элемент представляет собой периодическую структуру (рис. 3) в виде чередования полос ниобата лития (LiNbO3) с коэффициентом отражения k1 = 0,04 и золота с коэффициентом отражения k2 = 0,96.
Анализ распределения интенсивности излучения на выходе оптического волокна показал, что оно соответствует гауссову распределению, и свет будет выходить из световода в пределах числовой апертуры:
.
В зависимости от расстояния от торца волокна до отражающей поверхности (L) и значения числовой апертуры (NA) можно рассчитать радиус «светового» пятна R и тем самым определить, какой ширины должны быть полоски золота и ниобата лития. Для того чтобы центральная часть гауссова пучка попадала полностью на одну полосу, ширина полос золота и ниобата должна быть 2 R. В соответствии с геометрической схемой (рис. 4) между параметрами должны выполняться следующие условия:
,
.
Для обеспечения чувствительности к малым амплитудам колебаний (порядка одного микрометра) необходимо, чтобы центр световода был направлен на границу раздела полос золото / ниобат лития. Так как распределение интенсивности в световом пучке соответствует гауссову распределению, то максимальная интенсивность сосредоточена в центре пучка. Благодаря предложенной схеме измерение производится только в установленном направлении, перпендикулярном направлению штрихов.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Реализован экспериментальный макет амплитудного волоконно-оптического датчика вибрации отражательного типа (рис. 5). Принцип действия чувствительного элемента состоит в следующем. Первоначально оптическое излучение от источника по световоду передается к отражающей пластине в виде полос с разным коэффициентом отражения. Затем отраженный свет частично возвращается в световод и передается на фотоприемный модуль. При действии внешнего вибрационного источника свободный конец волокна совершает колебания. В результате колебательных движений торца отраженный сигнал, принимаемый фотоприемником, оказывается промодулированным.
В изготовленном экспериментальном образце датчика существует возможность перестройки параметров чувствительного элемента: длины свободного оптического волокна, расстояния до отражающей поверхности, смещения отражающей поверхности по двум осям, замены отражающей пластины.
Структурная схема экспериментальная установка ВОД для тестирования отражающей поверхности (рис. 6) содержит источник излучения с длиной волны λ = 1 550 нм (ИИ); чувствительный элемент (ЧЭ); источник вибрации TIRA Power Amplifier type BAA 120 (ИВ); генератор частот GW Instek GFG-3015 (ГЧ), задающий сигнал для источника вибрации; осциллограф LeCroy WA 232 (О), визуализирующий сигнал с фотоприемного модуля HCA-S‑200M-IN-FC (ФПМ).
Результат эксперимента представлен на рис. 7. Видно, что генерируемый сигнал (а) в 100 Гц (дорезонансная частота) коррелирует (коэффициент корреляции Пирсона равен 0,78) с регистрируемым сигналом фотоприемника (b).
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
Для определения параметров чувствительного элемента волоконно-оптического датчика и разработки его математической модели были рассмотрены поперечные вибрации волоконного световода, закрепленного с одной стороны в чувствительной части разработанного датчика вибрации. При этом учитывались его форма, размеры и материал, использовалась теория механических колебаний балки постоянного сечения [31, 32]. Для моделирования колебаний световода использовалось дифференциальное уравнение поперечных колебаний для однородной балки постоянного сечения:
,
где m0 – масса световода; uy(x,t) – локальное поперечное смещение волокна в направлении, перпендикулярном оси волокна, зависящее от координаты x и от времени t; E – модуль Юнга; Jz – момент инерции относительно главной центральной оси поперечного сечения; qy – интенсивность возмущающей силы.
Возмущающая нагрузка учитывается в граничных условиях, установившиеся вынужденные колебания будут совершаться с частотой возмущающей силы. Поэтому уравнение движения волокна будет описываться как произведение амплитудной части смещения u(х) и гармонической функции
.
Для верификации математической модели экспериментально определена амплитудно-частотная характеристика (рис. 8). Из функциональной зависимости видно, что амплитуда медленно нарастает с ростом частоты вплоть до границы резонанса, где амплитуда резко увеличивается после прохождения зоны резонанса, амплитуда возвращается на уровень до резонанса и практически не меняется, резонансная частота f ≈ 800 Гц.
Инерционной массой в датчике является само волокно. При воздействии на ЧЭ виброускорения свободный конец волокна будет отклоняться, представляя собой гармонический осциллятор. Параметры оптического волокна и характеристики кварца: r = 2 203 кг / м3 – плотность кварцевого волокна; E = 58 ГПа – технический модуль Юнга для кварцевого стекла; d = 125 мкм; l = 10 мм – длина консольной части опытного образца;
Собственные частоты колебательной системы определяются выражением:
Гц.
На рис. 9 представлена теоретическая зависимость собственной частоты от длины свободного волокна, из которого видно, что более привлекательными за счет дальнего резонанса являются малая длина свободного волокна. Но такие длины будут обладать малой сейсмической массой и большой жесткостью, что приведет к снижению чувствительности датчика такой конструкции. Видно, что теоретическая собственная частота колебаний коррелирует с полученными данными резонансных частот (коэффициент корреляции Пирсона равен 0,977). Учитывая результаты математической модели и результаты, полученные опытным путем, была подобрана длина свободного волокна, равная 10 мм, так как на данной длине сейсмическая масса и жесткость позволяют проводить измерения при малых амплитудах.
Заключение
В результате проведенной работы предложен отражающий элемент в виде периодической структуры. Данный отражающий элемент прост в конструкции, благодаря своей периодической структуре и расположению штрихов регистрируется только одна ось вибрации, а юстировка на раздел сред позволяет обеспечить чувствительность к малым смещениям порядка микрометра. Из представленных в работе данных очевидно, что эксплуатационные характеристики макета удовлетворительно соответствуют требованиям к ВОД схожих типов, при этом в работе [30] используется в качестве упругого элемента не волокно, (которое является достаточно надежным материалом – однородным, упругим со стекловидной структурой), что усложняет и увеличивает стоимость такой конструкции. Кроме того, в большинстве известных авторам работ предъявляются высокие требования к изготовлению отражательного элемента, в работе [29] датчик производит измерение вибрации в диапазоне 5–1 000 Гц, однако зона аттенюации регламентирована углом в 70 градусов и имеет многоступенчатый профиль.
В настоящей работе использовался отражательный элемент, периодическая структура в котором создавалась путем пропила под прямым углом. Также зачастую в конструкции чувствительного элемента присутствуют и излучающее волокно, и принимающее. Поэтому в работе предложена конструкция, содержащая комбинацию в одном волокне приемника и передатчика. Отражающая поверхность, как и чувствительный элемент, основанный на ее использовании, просты в изготовлении, при этом чувствительный элемент, использующий в своей конструкции предлагаемую отражающую пластину, сохранил малый вес и габариты.
Созданный авторами экспериментальный чувствительный элемент имеет резонанс в 800 Гц, что метрологически является верхней границей измерений, однако в настоящей работе использовался экспериментальный макет, представляющий собой не монолитную конструкцию, а составную платформу с возможностью перестройки параметров, подобное исполнение негативно сказывается на измерительном диапазоне.
Реализованный экспериментальный образец датчика вибрации планируется применять в исследованиях, относящихся к новому междисциплинарному направлению агробиофотоники, в вопросах управления развитием корневой системы и увеличения продуктивности сельскохозяйственных растений воздействием вибрации, проведении исследований по сортовому физиологическому ответу в диапазоне амплитуд вибрации 0,1–5 мм. В патенте [33] описан способ воздействия на почву вибрацией частотой 5–10 Гц и амплитудой 0,5–1 мм, в результате чего формируется плоская корневая система, способствующая росту растения (в данном случае − томат, болгарский перец).
Также планируется продолжить исследования по отработке технологии повышения зерновой продуктивности при вибрационном воздействии. Основанием для этого стали результаты исследований [34], проведенных в 2007–2009 годах, когда семена яровой и озимой пшеницы подвергались вибрации с частотой 70 Гц и амплитудой 0,5 мм в течение 12 и 14 часов. Был продемонстрирован эффект вибрационной обработки семян пшеницы, который проявлялся: в ускорении перехода растений к генеративной фазе развития; в усилении роста побегов; в стимулировании кущения и в увеличении зерновой продуктивности растений. Полученные данные указывают, что такой динамический фактор, как вибрация, воздействует на эпигенетическом уровне. Вибрационная обработка семян пшеницы не вызвала увеличения числа хромосомных перестроек, что подтвердило ранее известные факты об отсутствии влияния вибрации на перестройки хромосом.
Финансирование
Работа выполнена в рамках государственного задания с номером государственной регистрации темы AAAA-A19-119051390040-5.
REFERENCES
Мурашкина Т. И., Бадеева Е. А. Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ «Наноwтехнологии волоконно-оптических систем» Пензенского государственного университета». Ч. I. – С-Пб.: Политехника. 2018. 187 с.
Гармаш В. Б., Егоров Ф. А., Коломиец Л. Н., Неугодников А. П., Поспелов В. И. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении. Фотон-экспресс. 2005; 6: 128–140.
Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.
Джексон Р. Г. Новейшие датчики / пер. с англ. под ред. В. В. Лучинин – М: Техносфера. 2007. 384 с.
Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон. – Л.: Энергоатомиздат. 1990. 256 с.
Appel H. M, Cocroft R. B. Plants respond to leaf vibrations caused by insect herbivore chewing. Oecologia 2014;175:1257–1266.
Gagliano, M., Grimonprez, M., Depczynski, M. et al. Tuned in: plant roots use sound to locate water. Oecologia. 2017;184:151–160.
Muthert L., Izzo L. G., van Zanten M., Aronne G. Root Tropisms: Investigations on Earth and in Space to Unravel Plant Growth Direction. Frontiers in plant science. 2020; 10;1807.
Bouffanais R., Weymouth G. D. and Yue Dick K. P. Hydrodynamic object recognition using pressure sensing. Proc. R. Soc. A. 2011; 467:19–38.
Yoshizawa M., Jeffery W. R., van Netten S. M., McHenry M. J. The sensitivity of lateral line receptors and their role in the behavior of Mexican blind cavefish (Astyanax mexicanus). J. Exp. Biol. 2014; 217(Pt 6):886–895.
Lee Y.-G., Kim D.-H., Kim J.-H., Kim Y.-Y., Kim C.-G. Wavelength division multiplexing technique for grating panel-based fiber optic sensor. OFS2012 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors. 2012. doi:10.1117/12.975145.
Кузнецов В. П., Иванов А. А., Кудряшов Б. П. Проектирование средств измерения параметров технологических объектов на основе волоконно-оптических преобразователей. – Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та. 2013; 84.
Todd M. D., Johnson G. A. Vohra S. T. Deployment of Fiber Bragg Grating-Based Measurement System in a Structural Health Monitoring Application. Smart Materials and Structures. 2001;10:534–539.
Вознесенская А. О., Мешковский И. К., Миронов С. А., Попков О. С. Оптимизация схемы амплитудного волоконно-оптического преобразователя отражательного типа. Оптический журнал. 2007; 74(6): 31–35.
Голубинский Ю. М., Зуев В. Д., Кривулин Н. П. Математическая модель волоконно-оптического датчика перемещения со сферической линзой. Датчики и системы. 2009; 3: 15–18.
Зуев В. Д., Кривулин Н. П., Волков В. С., Мурашкина Т. И. Методика определения конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя с управляющим элементом в виде шаровой линзы. Авиакосмическое приборостроение. 2008;10: 27–29.
Guzowski B., Lakomski M. Realization of fiber optic displacement sensors. Optical Fiber Technology, 2018; 41: 34–39. doi:10.1016/j.yofte.2017.12.018.
Murashkina T. I., Motin A. V., Badeeva E. A. Mathematical simulation of the optical system of a fiber-optic measuring micro motion converter with a cylindrical lens modulation element / Journal of Physics: Conference Series (JPCS): 012101 – January 2017. – Vol. 803(1). – The IV Mezhd. Conf. «Information technologies in the industry and production» ITBI – 2016.
Мотин А. В., Белов В. Н., Мурашкина Т. И. Определение конструктивных параметров оптической системы волоконно-оптического преобразователя микроперемещения для датчика ускорения с модулирующим элементом в виде цилиндрической линзы. Материалы конференции: Волоконно-оптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении («СВЕТ_2018»). 2018;14–19.
Бадеева Е. А. Конструирование волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа. Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: науч. тр. – М.: Росавиакосмос: ГОУ ВПО МГУЛ. 2005; 7: 202–213.
Бростилова Т. Ю., Бростилов С. А., Кусаинов А. В., Серсенбеков С. Ж.,. Байсанов А. З. Методика расчета конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя давления. Инновационные, информационные и коммуникационные технологии. 2016; 1: 401–404.
Вознесенская А. О. Амплитудный волоконно-оптический преобразователь отражательного типа для датчика давления. Известия вузов. Приборостроение. 2012; 55(4): 60–64.
Бадеева Е. А. Научная концепция проектирования волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом для ракетно-космической и авиационной техники. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2016; 4 (40):102–113.
Кривулин Н. П., Крупкина Т. Ю., Мурашкина Т. И. Методика расчета и выбора конструктивных параметров оптической системы волоконно-оптического преобразователя давления с отражательным аттенюатором. Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2008; 1: 322–325.
Li Y., Guan K., Hu Z., Chen Y. An Optical Fiber Lateral Displacement Measurement Method and Experiments Based on Reflective Grating Panel. Sensors. 2016; 16(6): 808. doi:10.3390/s16060808/
Lee Y.-G., Park S.-O., Kim D.-H., Jang B.-W., Kim C.-G. Characteristics of reflection-type optical fiber sensor system using one grating panel. Sensors and Smart Structures Technologies for Civil. Mechanical, and Aerospace Systems. 2009. doi: 10.1117/12.817003
Lee Y.-G., Kim Y.-Y., Kim C.-G. Fiber optic displacement sensor with a large extendable measurement range while maintaining equally high sensitivity, linearity, and accuracy. Review of Scientific Instruments. 2012; 83(4), 045002. doi: 10.1063/1.3698586.
Патент РФ 1606853. Волоконно-оптический датчик микроперемещений / Аджалов В.И., Голуб М. А., Сисакян И. Н., Сойфер В. А.
Patent № 008995798. Reflective element for fiber optic sensor / Alexander Paritsky, Alexander Kots, Yuvi Kahana.
Patent № 8934740B2. Fiber optic sensor using transmissive grating panel and mirror / Chun-Gon Kim, Yeon-Gwan Lee, Byeong-Wook Jang, Jin-Hyuk Kim, Yoon-Young Kim.
Хазанов Х. С. Механические колебания систем с распределенными параметрами. –Самара: СГАУ. 2002. 80 с.
Сагирова А. Р., Никулин И. Л. Моделирование волоконно-оптического датчика вибрации. Материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых с междунар. участием (г. Пермь, 15–18 мая 2019 г.) / гл. ред. А. П. Шкарапута. – Электронное издание. – Пермь: ПГНИУ.2019. 428 с.
Патент РФ 2603589. Способ управления развитием корневой системы растений воздействием вибрации / Шапин В. И., Огурцов Ф. Б.
Делоне Н. Л., Беркович Ю. А., Смолянина С. О., Зяблова Н. В., Соловьев А. А., Большакова Л. С. Стимуляция роста у пшеницы под воздействием вибрации. Доклады Академии наук. 2010; 434(3): 424–426.
АВТОРЫ
Бурдышева Ольга Васильевна, м.н.с., Лаборатория агробиофотоники, Пермский ФИЦ УрО РАН, Пермь, Россия. Научные интересы: волоконная оптика, волоконно-оптические датчики; корреспондирующий автор, e-mail: Burdyshevaolga@gmail.com.
ORCID: 0000-0002-7395-4361
Шолгин Евгений Сергеевич, м.н.с., Лаборатория агробиофотоники, Пермский ФИЦ УрО РАН, Пермь, Россия. Научные интересы: волоконная оптика, волоконно-оптические датчики; e-mail: Faler01@yandex.ru.
ORCID: 0000-0002-8068-8815
Максимов Александр Юрьевич, к. б. н., заведующий лабораторией, Лаборатория агробиофотоники, Пермский ФИЦ УрО РАН, с.н.с., Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, Пермский ФИЦ УрО РАН, Пермь, Россия.
ORCID: 0000-0003-2591-3351
WOS Research ID T-8070-2017
Отзывы читателей
