Исследование на надежность зеемановских лазерных датчиков вращения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ НА НАДЁЖНОСТЬ ЗЕЕМАНОВСКИХ ЛАЗЕРНЫХ ДАТЧИКОВ ВРАЩЕНИЯ

МЕДЯНИК М.В.

САВЕЛЬЕВ И.И.

В настоящее время системы на лазерных гироскопах вышли на первое место по объёмам выпуска на мировом рынке гироскопических систем. На отечественном рынке их доля пока небольшая, но она быстро растёт. Большую часть выпускаемых систем составляют системы на зеемановских лазерных гироскопах. Чувствительными элементами зеемановских лазерных гироскопов являются кольцевые лазеры с частотной подставкой на эффекте Зеемана, которые обычно называют зеемановскими датчиками вращения. Первостепенное значение для потребителей инерциальных датчиков играет их надёжность [1].

До настоящего времени испытания датчиков на надёжность проводились только в составе лазерных гироскопов, поскольку датчик имеет негерметичное исполнение. Это усложняло и удорожало разработку, а также внедрение новых технических решений в датчик.

Целью работы является разработка методик и проведение автономных исследовательских испытаний на надёжность зеемановских лазерных датчиков вращения с использованием ускоренного старения. Испытания на надёжность включают в себя: испытания на безотказность включения, испытания на ресурс и ускоренные испытания на сохраняемость [2].

Методика испытаний на безотказность включения

Испытания на безотказность проводят в соответствии с методом последовательного контроля показателей надежности [3].

Параметры плана контроля приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры плана контроля

В таблице использованы принятые обозначения: б - риск поставщика; в - риск заказчика; Р_б - приемочный уровень вероятности безотказной работы; Р_в - браковочный уровень вероятности безотказной работы; а - тангенс угла наклона линии соответствия (несоответствия) на графике последовательного контроля; r₀ - точка пересечения линии несоответствия с осью ординат; r_ус - предельное число отрицательных исходов при усеченном последовательном контроле; n₀ - точка пересечения линии соответствия с осью абсцисс; n_ус - предельное число независимых наблюдении при усеченном последовательном контроле.

В соответствии с параметрами плана контроля таблицы 1 составляется график контроля последовательных испытаний.

Линию соответствия строят в соответствии с формулой:

r = а(n-n₀), (1)

где: r - суммарное учитываемое число отказов испытуемых приборов на данный момент времени испытаний; n - число независимых наблюдений (включений);

Линию несоответствия строят в соответствии с формулой:

r = аn +r₀.(2)

График контроля последовательных испытаний, состоящий из линий несоответствия и соответствия при усеченном последовательном контроле приведен на рис. 1.

Рис. 1. График контроля последовательных испытаний

Испытания на безотказность проводят циклами.

Цикл состоит из четырёх подциклов. В подцикле 200 последовательных независимых наблюдений (включений):

- 50 независимых наблюдений (включений) в НКУ;

- 50 независимых наблюдений (включений) при +75°С;

- 50 независимых наблюдений (включений) при минус 50°С;

- 50 независимых наблюдений (включений) в НКУ.

Всего проводят шесть циклов.

Независимые наблюдения (включения) датчиков выполняют по следующей схеме: включение и работа датчиков в течение 0, 5 часа, затем 0, 5 часа - перерыв.

Методика испытаний на ресурс

Наработку в процессе испытаний на ресурс проводят циклами.

Цикл состоит из четырёх подциклов. В подцикле 200 включений:

- 50 включений в НКУ;

- 50 включений при +75°С;

- 50 включений при минус 50°С;

- 50 включений в НКУ.

Исследовательские испытания на ресурс проводят до неработоспособности датчика.

Включения датчиков выполняют следующим образом: работа - один час, 0, 25 часа - перерыв.

Методика испытаний на сохраняемость

Ускоренные испытания на сохраняемость воспроизводят влияние климатических циклов, обеспечивают получение необходимой информации о надёжности датчика в более короткий срок и показывают процесс хранения датчика в течение 16 лет (15 лет в составе изделия) [4]:

-1 год в отапливаемом хранилище (далее ОХ), (хранение датчика до установки в изделие);

-8, 5 лет в неотапливаемом хранилище (далее НХ), (хранение датчика в составе изделия);

-6, 5 лет на открытой площадке (далее ОП), (хранение датчика в составе изделия).

Испытания по данной программе проводятся с имитацией хранения датчика в составе изделия.

Влияние естественных условий хранения в процессе ускоренных испытаний на сохраняемость осуществляется воспроизведением климатических циклов, соответствующих заданным условиям хранения (каждый цикл испытаний эквивалентен 1 году хранения):

-тепловлагостойкость (испытания соответствуют хранению датчика в ОХ, НХ и на ОП);

-холодостойкость (испытания соответствуют хранению датчика в НХ и на ОП);

-сезонная циклостойкость (испытания соответствуют хранению датчика в НХ и на ОП);

-суточная циклостойкость (испытания соответствуют хранению датчика в НХ и на ОП).

Установка для проведения испытаний

Для проведения испытаний было спроектировано рабочее место, позволяющее проводить ускоренные испытания на сохраняемость одновременно шести датчиков или проводить испытания на надёжность двух датчиков. На рис. 2 представлена блок-схема рабочего места.

Рис. 2. Блок-схема рабочего места для проведения испытаний на надёжность

На рис.2: датчик - лазерный датчик вращения; ПКИ (прибор контрольно-испытательный) - предназначен для установления и поддержки газового разряда в резонаторе и съёма первичной информации при контроле параметров датчика; осциллограф - предназначен для наблюдения сигналов вращения; счётчик реверсивный - служит для подсчёта и вывода импульсов, полученных при вращении датчика; мультиметр - служит для контроля таких параметров, как, например, напряжение горения в плечах резонатора; камера тепла-холода - предназначена для проведения климатических испытаний и задания режимов ускоренного старения; ЭВМ-служит для съёма преобразованной выходной информации и расчёта точностных параметров датчика.

Результаты испытаний на безотказность и ресурс

Датчики К-5 с заводскими номерами 1202008 и 1202016 подверглись испытаниям по методике испытаний на надёжность (безотказность и ресурс).

Для подтверждения вероятности безотказной работы 0, 999 [4] было проведено 550 независимых наблюдений (включений) каждого датчика по плану контроля последовательных испытаний.

Для подтверждения ресурса датчика 1200 часов была дополнительно проведена следующая наработка каждому датчику, представленная в таблице 2.

Таблица 2 Параметры проведения испытаний на наработку

На рис. 3 приведены графики зависимости выходных параметров датчиков от времени наработки.

а)

б)

Рис. 3. Графики зависимости выходных параметров датчиков от времени наработки: напряжения горения (а), амплитуд выходных сигналов вращения (б). Границы допустимых значений составляют: 650ч850 В (а), 1ч2 В (б).

Результаты испытаний на сохраняемость

Датчики К-5 с заводскими номерами 1006030, 1106037, 1203021, 1203022 подверглись испытаниям по методике ускоренных испытаний на сохраняемость.

На текущий момент датчики были состарены:

-на 17 лет - датчик 1106037 (испытания продолжаются);

-на 9 лет - датчики 1203021, 1203022 (испытания продолжаются).

Далее на рис. 4 приведены графики зависимости выходных параметров датчиков от времени хранения.

а)

б)

Рис. 4. Графики зависимости выходных параметров датчиков от времени хранения: напряжения горения (а), амплитуд выходных сигналов вращения (б). Границы допустимых значений составляют: 650ч850 В (а), 1ч2 В (б).

Анализ результатов испытаний

1. Увеличение напряжения горения датчиков при испытаниях на ресурс свидетельствует об изменении состава газовой смеси. Напряжение горения увеличивается в среднем на 5 В после 2 - 3 лет ускоренного хранения и на 8 В после 200-300 часов наработки и дальше практически не изменяется.

2. Резкое изменение напряжения горения и амплитуд выходных сигналов произошло после месячного перерыва испытаний на наработку. Ожидается стабилизация параметров в течение испытаний [5].

Заключение

1. Разработаны методики испытаний зеемановских лазерных датчиков на надёжность: безотказность, наработку и сохраняемость с использованием ускоренного старения.

2. По разработанным методикам проведены исследовательские испытания на безотказность, ресурс и сохраняемость.

3. Три датчика подтвердили сроки сохраняемости в 17, 9, 5 и 9, 5 лет и продолжают испытываться.

4. Два датчика подтвердили вероятность безотказного функционирования при включении 0.999 и ресурс более 1000 часов и продолжают наработку.

5. Показано, что после первых 200 - 300 часов работы датчиков и одного - двух сезонных циклов наблюдается стабилизация их параметров (эффект «приработки» датчиков) [5].

зеемановский лазерный датчик вращение

Литература

1.Азарова В.В., Голяев Ю.Д., Савельев И.И. Кольцевые газовые лазеры с магнитооптическим управлением в лазерной гироскопии // Квантовая электроника. -- 2015. - 45, №2(512). - С.171-179.

2. ГОСТ 27.002-89 Надёжность в технике. Основные понятия и определения.

3. ГОСТ 16504-81 Испытания и контроль качества продукции. Основные понятия и определения.

4. Датчик К-5. Программа и методика испытаний, М., ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха» -- 2013.

5. Е. Сухов, В. Бруггер, Л. Маш, Н. Истомина, Оценка герметичности и внутреннего газоотделения газоразрядных приборов // Фотоника. -- 2011. - 29 № 5. - C.42.

Размещено на Allbest.ru