Исследование физико-технических и функциональных закономерностей преобразования сигналов в оптической системе высокопрецизионных рефрактометрических волоконно-оптических микросенсоров для экспресс-диагностики качества жидкостных сред систем жизнеобеспечения

Объект исследования – высокопрецизионные рефрактометрические волоконно-оптические микросенсоры для экспресс-диагностики качества жидкостных сред. Предмет исследования – физико-технические и функциональные закономерности преобразования сигналов в оптической системе высокопрецизионных рефрактометрических волоконно-оптических микросенсоров. Объявленные цели Проекта 1 Разработка теоретических основ преобразования оптического потока в волоконно-оптической системе микросенсоров, реализующих новый рефрактометрический способ экспресс-диагностики качества жидкостных сред, для повышения результативности экомероприятий. 2 Повышение достоверности диагностики качества жидкостных сред, как природного, так и техногенного происхождения, за счет использования оптических диагностических признаков – изменения показателя преломления жидкости относительно стандартных образцов конкретного типа жидкости, регистрируемых высокопрецизионными, высокочувствительными волоконно-оптическими рефрактометрическими микросенсорами ИК-диапазона. Содержание выполняемых в 2023 году работ Этап 1: Определение физических и математических закономерностей распределения светового потока в пространстве оптической системы волоконно-оптических рефрактометрических микросенсоров (ВОРМС) 1.1 Проведение патентных исследований по ГОСТ Р 15.011-96. Анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов по теме проекта. Выбор и обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач. 1.2 Разработка волоконно-оптического рефрактометрического способа преобразования оптических сигналов, обеспечивающего экспресс-диагноcтику качества жидкостной среды (в том числе биожидкости). 1.3 Разработка математических моделей, связывающих оптические, геометрические, физические параметры элементов оптической системы ВОРМС. 1.4 Математическая формализация критериев оптимальности параметров ВОРМС для систем жизнеобеспечения. 1.5 Разработка методики математического моделирования и расчет параметров волоконно-оптической системы ВОРМС, учитывающей особенности и связь последовательности математических преобразований с физико-технической оптимизацией параметров ВОРМС. 1.6 Определение пространственного расположения оптических волокон и трубки с жидкостью в пространстве ВОРМС, обеспечивающее максимальный перепад уровней оптического сигнала при расположении в трубке калибровочной жидкости, а затем жидкости, коэффициент преломления которой измеряется. 1.7 Расчет геометрических параметров и определение материала прозрачной трубки ВОРМС 1.8 Проведение графоаналитического машинного эксперимента и анализ влияния на процесс распределения светового потока, взаимного расположения и количественного соотношения оптических волокон. 1.9 Выпуск годового научно-технического отчета о НИР. 1.10 Подготовка и публикация не менее 4 научных статей в изданиях, индексируемых в Scopus, Web of Science, RSCI. 1.11 Командировки на международные конференции и выставки (более 3-х). Запланированные в 2023 году результаты 1 Обоснованные направления исследований и способы решения поставленных задач. 2 Разработанный волоконно-оптический рефрактометрический способ преобразования оптических сигналов, обеспечивающий экспресс-диагностику качества жидкостной среды (в том числе биожидкости) систем жизнеобеспечения (в том числе, космонавтов). 3 Разработанные математические модели, связывающие оптические, геометрические, физические параметры элементов оптической системы волоконно-оптических рефрактометрических микросенсоров (ВОРМС). 4 Определенные критерии оптимальности параметров волоконно-оптической микросистемы ВОРМС систем жизнеобеспечения. 5 Рассчитанные параметры цилиндрической прозрачной трубки, обеспечивающие максимальное изменение интенсивности оптического сигнала при определении коэффициента преломления жидкости. 6 Определенное пространственное расположение оптических волокон и трубки с жидкостью в пространстве ВОРМС и выбран материал прозрачной трубки, обеспечивающие максимальный перепад уровней оптического сигнала при расположении в трубке калибровочной жидкости, а затем жидкости, коэффициент преломления которой измеряется. 7 Разработанная методика математического моделирования волоконно-оптической системы ВОРМС, учитывающая особенности и связь последовательности математических преобразований с физико-технической оптимизацией параметров ВОРМС, в соответствии с которой определены конструктивно-технологические параметры волоконно-оптической микросистемы ВОРМС. 8 Результаты графоаналитического машинного эксперимента и анализа влияния на процесс распределения светового потока, взаимного расположения и количественного соотношения оптических волокон, учитывающие критерии оптимизации оптических, геометрических, физико-технических параметров и метрологических характеристик ВОРМС. 9 Выпущен годовой научно-технический отчет о НИР. 10 Опубликовано или подготовлено к публикации не менее 4-х научных статей в изданиях, индексируемых в Scopus, Web of Science, RSCI. 11 Принято участие в 3-х и более научных конференциях и выставках. Методы и подходы, применяемые в 2023 году Учитываются закономерности преобразования светового потока в волоконно-оптической микросистеме ВОРМС по принципиально новому запатентованному способу прецизионной рефрактометрии жидких сред. При разработке математических и физических моделей волоконно-оптической микросистемы ВОРМС учитывается пространственное распределение мощности светового потока на излучающем торце оптических волокон в виде полого усеченного конуса (при расчетной длине оптического волокна), позволяющее реализовать двухканальное преобразование оптических сигналов для уменьшения дополнительных погрешностей от изгибов волокон, электромагнитного воздействия, изменения температуры окружающей среды и т.п. Для получения линейной функции преобразования ВОРМС преобразование оптического сигнала в волоконно-оптической микросистеме осуществляется в дальней зоне дифракции, когда начальное расстояние от излучающего торца подводящего оптического волокна до цилиндрической трубки с жидкостью существенно превышает длину волны источника изучения, в зоне с равномерным распределением интенсивности оптического сигнала, а торцы отводящих оптических волокон располагаются в зоне с равномерным распределением освещенности в поперечном сечении волоконно-оптического канала. Для оптимизации параметров ВОРМС осуществляется математическое моделирование физико-технических и конструктивно-технологических параметров с учетом нового алгоритма методики расчета. При разработке математических и физических моделей волоконно-оптической микросистемы ВОРМС используются основные положения волновой, геометрической оптики, методы математической физики. При решении задач по улучшению технических характеристик ВОРМС использованы положения теории чувствительности, погрешностей, имитационное и статистическое моделирование на ЭВМ, моделирование в программной среде МICRO-CAP, ANSYS, LabVIEW, Proteus, MathLAB. Для снижения большинства аддитивных и мультипликативных составляющих основной и дополнительных погрешностей применяется двухканальное преобразование оптических сигналов, причем данное преобразование осуществляется с оптическими сигналами непосредственно в волоконно-оптической микросистеме ВОРМС. Деление на два независимых световых потока осуществляется расположением оптических осей отводящих оптических волокон двух измерительных каналов относительно цилиндрической трубки с жидкостью в диаметрально противоположных точках светового пятна – изображения излучающего торца подводящего оптического волокна, по которому свет поступает от одного источника излучения в зону измерения. Для определения степени сходимости теоретических результатов с экспериментальными данными будут проведены экспериментальные исследования изготовленных ВОРМС с учетом положений теории измерений, планирования эксперимента. Результаты работы: 1 Обоснованы направления исследований и способы решения поставленных задач (Введение, п.1.1 промежуточного отчета). 2 Разработан волоконно-оптический рефрактометрический способ преобразования оптических сигналов, обеспечивающий экспресс-диагностику качества жидкостной среды (в том числе биожидкости) систем жизнеобеспечения (в том числе, космонавтов) (1) п.1.2 промежуточного отчета; 2) патент на изобретение 2796797 C2 Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества и реализующий его волоконно-оптический рефрактометрический измерительный преобразователь/ Е.А. Бадеева, В.А. Бадеев, Т.И. Мурашкина, Д.И. Серебряков, Н.А. Хасаншина, Ю.А. Васильев, А.Н. Кукушкин// Опубл. 29.05.2023, бюл.№14). 3 Разработаны математические модели, связывающие оптические, геометрические, физические параметры элементов оптической системы волоконно-оптических рефрактометрических микросенсоров (ВОРМС) (п.2.3 промежуточного отчета). 4 Определены критерии оптимальности параметров волоконно-оптической микросистемы ВОРМС систем жизнеобеспечения (п.2.2 промежуточного отчета ). 5 Рассчитаны параметры цилиндрической прозрачной трубки, обеспечивающие максимальное изменение интенсивности оптического сигнала при определении коэффициента преломления жидкости (п.п.3.2, 3.3 промежуточного отчета ). 6 Определено пространственное расположение оптических волокон и трубки с жидкостью в пространстве ВОРМС и выбран материал прозрачной трубки, обеспечивающие максимальный перепад уровней оптического сигнала при расположении в трубке калибровочной жидкости, а затем жидкости, коэффициент преломления которой измеряется (п.2.4 промежуточного отчета). 7 Разработана методика математического моделирования и расчета параметров волоконно-оптической системы, учитывающая особенности и связь последовательности математических преобразований с физико-технической оптимизацией параметров ВОРМС (п.п.2.3, 3.3 промежуточного отчета). 8 Получены результаты графоаналитического машинного эксперимента и анализа влияния на процесс распределения светового потока, взаимного расположения и количественного соотношения оптических волокон, учитывающие критерии оптимизации оптических, геометрических, физико-технических параметров и метрологических характеристик ВОРМС (Раздел 3 промежуточного отчета). 9 Выпущен годовой научно-технический отчет о НИР. 10 Подготовлено или опубликовано 13 научных статей, из которых 5 статей в изданиях, индексируемых в Scopus, Web of Science, RSCI, 3 статьи в изданиях, индексируемых в других зарубежных базах, 5 статей в других изданиях