Диссертация (Разработка методик и аппаратуры для технической диагностики промышленного оборудования с применением волоконно­оптического телеметрического комплекса), страница 4

Для термисторовхарактерны большой температурный коэффициент сопротивления, простотаустройства, способность работать в различных климатических условиях призначительных механических нагрузках, стабильность характеристик вовремени. Они могут иметь весьма малые размеры, что существенно дляизмерений температуры малых объектов.

Обычно термисторы имеютотрицательный температурный коэффициент сопротивления, в отличие отметаллов.18Дляпромышленныхиспользуется уравнениеплатиновыхтермометровКаллендара-ВансопротивленияДьюзена,сизвестнымикоэффициентами, которые установлены экспериментально и нормированы вмеждународном стандарте МЭК 60751(ГОСТ 6651-94) [66]: = 0 [1 + + 2 + 3 ( − 100)] = 0 [1 + + 2 ](−200°C < T < 0°C),(0°C ≤ T < 850°C)(1.1)Для термометров повышенной точности и эталонных выполняетсяиндивидуальная градуировка в ряде температурных точек и определяютсясобственные коэффициенты вышеприведенной зависимости.Преимущества термометров сопротивления:• Точность измерений лучше ±1 °C.• Практически линейная характеристика.Недостатки термометров сопротивления:• Требуется дополнительный источник питания для задания тока черездатчик.• Незащищенность от электромагнитных наводок.• Метод измерения деформации тензорезистором1.1.3.

Метод измерения деформации тензорезисторомСовременныетензорезисторы.полупроводниковыеОсновнымидатчикиматериаламидеформациидля–изготовленияполупроводниковых тензорезисторов в настоящее время являются кремний игерманий. Кремний вследствие его меньшей чувствительности к температуреполучил большее распространение. Применяются также полупроводниковыесоединения, например, арсенид галлия GaAs и др. [105].В зависимости от применяемых материалов полупроводниковыетензорезисторы можно разделить на две группы: монокристаллические иполикристаллические.

К монокристаллическим тензорезисторам относятсятензорезисторы,полученныенамонокристаллическихподложках;игольчатые кристаллы, полученные выращиванием из газовой фазы;эпитаксиальные пленки и дендриты. К поликристаллическим относятся19тензолиты, представляющие собой искусственные смеси, например, угля(или сажи) и бакелитового лака.Материалы для полупроводниковых тензорезисторов должны обладатьбольшим коэффициентом тензочувствительности (КТЧ) и наименьшимтемпературным коэффициентом сопротивления (ТКС), а также обеспечиватьстабильность параметров тензорезисторов.Весьмаответственнойоперациейприизготовленииполупроводниковых тензорезисторов является создание контакта металлполупроводник, который получается различными способами: пайкой,вплавлением, сваркой, напылением, электрохимическим или химическимнанесением покрытий.Определенныйинтереспредставляютполупроводниковыетензорезисторы из дендритной ленты германия, получившие широкоераспространение вследствие простой и доступной технологии изготовления.Дендритамипринятоназыватьдревовидные,игольчатыеилипластинчатые кристаллы сложного двойникового строения, образующиесяпри кристаллизации в переохлажденном расплаве или из пересыщеннойгазовой фазы.Дендритные тензорезисторы из германия отличаются пониженноймеханической прочностью по сравнению с тензорезисторами, полученнымииз монокристаллического слитка.По конструктивным особенностям полупроводниковые тензорезисторыможно разделить на приклеиваемые и неприклеиваемые.

Приклеиваемыеполупроводниковые тензорезисторы могут использоваться как с подложкой,так и без подложки.Полупроводниковые тензорезисторы без подложки отличаются формойсечения, материалом и способом осуществления омического контакта. Вомногом конструкция их определяется технологией изготовления. Самыйраспространенный тип тензорезистора - брусок.20Тензорезисторы,полученныевыращиваниемизгазовойфазы,представляют собой монокристаллические иглы диаметром 10 - 100 мкм.Основное применение полупроводниковые тензорезисторы находят вдатчиках давления, усилий, напряжений.

Весьма перспективно применениеполупроводниковых тензорезисторов в акселерометрах.К достоинствам тензорезисторов следует отнести:• Простоту изготовления и относительную дешевизну.• Изготовление тензорезистора нетребует специальнойаппаратуры(например, станков для шлифовки и резки) и сводится к поперечной резкеленты корундовой иглой, отламыванию тензоэлемента и припаиванию кнему электрических выводов специальным припоем.К недостаткам следует отнести:• Для изготовления тензорезисторов используется германиевая дендритнаялентавосновномсудельнымсопротивлением ρ=1±0,2Ом • см.Параметры таких тензорезисторов сильно зависят от температуры.• При работе тензорезисторов в условиях сильных электромагнитныхнаводок погрешность измерения деформации сильно возрастает.Таким образом, рассмотрев современные методы, входящие в составсуществующейметодикитехническойдиагностикипромышленногооборудования, можно выделить ряд ее существенных недостатков, которыевозможноустранитьсразвитиемволоконно-оптическойметодикитехнической диагностики:• Необходимость подачи электропитания по отдельному кабельному каналук измерителям;• Необходимостьналичияраздельныхлинийприемо/передачиизмерительного и управляющего сигналов;• Ухудшение технических параметров измерителей под воздействиемэлектромагнитных полей, высоковольтного напряжения, агрессивныхсред;21• Несоответствиесовременнымтребованиямпопожаро-взрывобезопасности.1.2.

Анализ методики и аппаратуры технической диагностикипромышленного оборудования с использованием волоконно-оптическихсредствСовременная волоконно-оптическая методика позволяют измерятьдеформацию, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве,скоростьлинейногоперемещенияискоростьвращения,ускорение,параметры колебаний и звуковых волн, уровень жидкостей, показательпреломления, электрическое и магнитное поле, дозу радиационногоизлучения, а также ряд других физических величин [28].Волоконный световод (ВС) может использоваться для подвода илиотвода оптического излучения от измеряемого объекта [101, 102]. В этомслучае ВС используется как пассивный элемент, облегчающий возможностьполучения оптического излучения из труднодоступных мест и для передачиего на определенные расстояния, например, если исследуемый объект испектральная аппаратура пространственно разнесены и по каким-топричинам не могут быть расположены в необходимой для измеренияблизости [51].Визмерительныхсистемах,крометранспортировкиизлученияволоконный световод, выполняет роль чувствительного элемента.

Такиесистемы в большинстве случаев являются высоко конкурентными, так какиспользованиеполностьюволоконныхоптическихсхемзначительноулучшает эксплуатационные характеристики сенсорных систем.Волоконный световод представляет собой стеклянную кварцевую нить,длина которой достигает десятков километров [56]. Во многих случаяхвысокая чувствительность датчиков обусловлена именно большой длиной, накоторую передается воздействие от измеряемой величины, причем, величинавоздействияможетбытьдостаточномалой.Принципыволоконно-оптических методов на основе волоконного световода позволяют получать22пространственные распределения измеряемой величины.

В частностиразличают распределенные, локальные и квазираспределенные методы.1.2.1. Методы распределенной технической диагностикиМетоды распределенной технической диагностики предполагаютпроведение измерения протяженных областей (объектов) с определеннымпространственным разрешением [80]. В таких приложениях, как правило,измеряемая величина не является постоянной. Распределенные измерениясредствами волоконной оптики могут проводиться как на больших длинахВС (более 10 км), так и на относительно небольших участках (несколькометров) [27]. Для проведения распределенных измерений разработан рядметодов, обеспечивающих однозначное выделение отклика от определеннойчасти ВС: оптическая рефлектометрия во временной области (OTDR –Optical Time-Domain Reflectometry), оптическая рефлектометрия в частотнойобласти (OFDR – Optical Frequency-Domain Reflectometry), низкокогерентнаяоптическая рефлектометрия (OLCR –Optical Low-Coherent Reflectometry) иряд других.Наибольшее распространение получили три вида рассеяния света:методобратногорэлеевскогорассеяния,спонтанноерассеяниеМандельштама – Бриллюэна и спонтанное комбинационное рассеяние [15,16, 17].

Эти методы стали основой реализации принципов распределенногоизмеренияметодамиобратногорассеяния.Аппаратуру дляанализаобратного рассеяния принято называть рефлектометрами.Метод обратного рэлеевского рассеяния (Rayleights cattering) являетсяодним из основных методов измерения оптических потерь в волоконномсветоводе (OTDR).

Этот метод используется для измерения потерь в самихсветоводах, качества и расположения мест стыковки/сварки световодов,участков изгиба и повреждения на фиксированных длинах волн [6].Спонтанное рассеяние Мандельштама – Бриллюэна (Brillouins cattering)– это рассеяние света на акустических колебаниях среды. Рассеянный светимеет две компоненты – стоксову (с частотой, меньшей частоты излучения,23распространяющегося по ВС) и антистоксову (с частотой, большейисходной).

Характерная величина частотного сдвига составляет в кварцевыхВС 9 ÷ 12 ГГц, что соответствует сдвигу 0,08 ÷ 0,1 нм на длине волны 1,55мкм. Интенсивность и частотная отстройка полосы рассеяния зависят оттемпературы и деформаций ВС, поэтому этот метод (BOTDR-BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry)используетсядляконтролястационарного распределения температуры и деформации протяженныхобъектов [35].Спонтанное комбинационное рассеяние (Ramans cattering) возникаетиз-за рассеяния света на оптических фононах.