CC BY
73
Зуев В.Д., Голубинский Ю. М., Волков В.С. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ВИБРОДАТЧИК
Предложено конструктивное решение дифференциального волоконно-оптического вибродатчика (ВОВД), отличающееся простотой изготовления, улучшенными метрологическими характеристиками.
Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров вибраций, ударов и шумов. Практически нет ни одного объекта контроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействие вибрационных, ударных или акустических нагрузок. Исследования колебательных процессов представляют большой интерес для многих отраслей народного хозяйства - в полупроводниковой электронике (контроль вибрации установок для выращивания кристаллов), в микроэлектронике (вибрация установок фотолитографии), в машиностроении (вибрация станков и биение деталей), в автомобильной промышленности (контроль вибрации отдельных узлов автомобилей и всего автомобиля в целом), на железнодорожном транспорте (датчики приближения поезда), в энергетике (контроль вибрации лопаток газовых турбин), в авиастроении (контроль биений турбин) и т.д. Интенсивно изучаются землетрясения, представляющие собой эпизодические колебания, вызванные освобождением потенциальной энергии упругих деформаций земной коры, происходящих в момент её разрывов в местах концентрации напряжений. Тщательно контролируются вращающиеся или перемещающиеся в различных направлениях с большой скоростью узлы и механизмы крупных сооружений и агрегатов, такие как: электрогенераторы тепла и гидростанции, гребные винты кораблей, авиационные и ракетные двигатели и тому подобное, являющиеся источником возникновения интенсивных периодических и непериодических вибрационных процессов. Особую опасность представляют колебания, возникающие на резонансных частотах упругих конструкций. Возникающие при вибрациях и ударах инерционные силы могут вызвать напряжения, превышающие предел прочности конструкции, или относительные перемещения деталей в недопустимых пределах. Из-за вибраций значительно снижается срок службы оборудования, ухудшается качество его работы. Вибрационные процессы могут служить источником информации для диагностики машин и механизмов как средство раннего обнаружения их неисправности. Данный список можно продолжать достаточно долго, что говорит о необходимости создания высокоточных вибродатчиков.
Авторами предлагается один из вариантов нового конструктивного решения дифференциального ВОВД на базе волоконно-оптического преобразователя перемещения в виде подводящих (ПОВ) и отводящих оптических волокон (ООВ), между которыми под действием вибрации перемещается модулирующий элемент, представляющий собой шаровую линзу (ШЛ) (рисунок 1).
Рисунок 1 - Геометрическое построение к расчету волоконно-оптического преобразователя перемещения
с шаровой линзой
Расстояние от торца подводящего оптического волокна (ПОВ) до поверхности шарообразной линзы находится как:
Ч = Sf -10 , (1)
где ^ - диаметр сердцевины оптического волокна;
_
Ч
0 tg®NA
Sf =\-А - ГЛ ,
где ©^ - апертурный угол оптического волокна; тл - радиус шарообразной линзы;
у = ПЛ ГЛ
2 (пЛ -1) ,
где пл - коэффициент преломления шарообразной линзы.
Для луча 2 необходимо учесть его смещение вдоль оси X на расстояние И =
2tg0A
от точки, из
которой исходит второй луч. Из АЛВО : ВО = гл , АО = —f . Учитывая теорему синусов, имеем: ътф
sin в NA
откуда
ф = arcsin ^ f sin ®na j , a_ Igo _ф .
В соответствии с законом Снеллиуса пв sina = пл sinß , пл sinß = пв sin^ .
С учетом перемещения линзы по оси Х:
пл (/ ± X¡ )sin ®ли sin у =-------------------------------- , Sin у2 = -
/ ± X-
2tg0N
sin 0,
где Х1 - смещение шарообразной линзы по оси Х. Расстояние от поверхности шарообразной линзы
до торца отводящих оптических волокон (ООВ) находится как:
l2 =S/ l3 , l3
0,5d„
tg0BbX
Из ADCO : CO = гл , DO = / .
Учитывая теорему синусов, имеем:
ГЛ _ f
sin 0Е
(sin(180 - у)гЛ
------, т = 180 -у, 0^¡x= arcsin I-------------- ---------- —
sin® 1 /
Из формулы приведения sin(180 — у) = siny .
0 ВЫХ1 = arcsin
nЛІ 2(ПЛ—1) ±X|sin0"
пЛ ГЛ
2 (пл — 1)
, 0в
2( пл — 1)
± X -
2tg0 N
sin 0Д
2 (пл — 1)
В случае перемещения линзы по оси Ъ относительно оптических волокон рассматривается эквивалентное смещение луча относительно линзы перпендикулярно оптической оси на величину: 2,. = х^®ш
Рисунок 2 - Геометрические построения к определения расположения ООВ Расстояние между оптической осью и осью ООВ определяется как:
В = Ч5*£©ВЫХ , Ч5 = /(Х) — Ч4 , /‘(X) = f — Х1 * Из АОЕ : ОЕ = гл .
Учитывая теорему синусов, имеем:
h
sin®( x) sin 0ВЬЖ
Получим:
(
! гл sin®( x)
sin 0иіпг
D =
2( пл — 1)
± X,. — -
sin 0
ВЫХ
tg0
ВЫХ
При проектировании пружины сначала выбираем материал и в соответствии с условиями работы назначаем допускаемое напряжение (или коэффициент запаса). Затем из расчета на прочность и жесткость определяем размеры пружины:
r
л
Г
л
Г
_РҐ_ ' 3EJV
4№
’ EBh3
где О - рабочий прогиб, Р - рабочая нагрузка, 1 - длины пружины, Е - модуль упругости, Jx -момент инерции поперечного сечения, В - изгибная жесткость, Ь - высота сечения (толщина пружины).
Р1 6Р1
где <7Ш1Х - максимальное напряжение; №х - момент сопротивления сечения; Ь - ширина пружины;
- допускаемое напряжение.
Предположим, заданы рабочий прогиб О и рабочая нагрузка Р (рис. 3); модуль упругости Е и допускаемое напряжение предопределены свойствами выбранного материала. Тогда получим:
,-4Р (Г3
оЕ ^ к,
6Р I
Ь =-і
Ьh = -
(2)
[СТ] h
(3)
Рисунок 3 - Геометрические построения к определению размеров пружины
Результат решения задачи проектирования не однозначен: заданным требованиям в отношении жест-
кости и прочности могут удовлетворять пружины разных геометрических размеров. Окончательный выбор наиболее подходящего варианта упругого элемента осуществляется в зависимости от других факторов: габаритных размеров, технологичности, жесткости в боковом направлении и т.п.
I
В рассматриваемом случае, задав соотношение —, можно найти по формуле (2) ширину Ь, по форму-
ле (3) - высоту Ь сечения, а из соотношения
к
- длину 1.
Выбрав новое отношение
получим новые геометрические размеры пружины. Таким образом, можно
получить несколько типов пружин одинаковой прочности и жесткости, из которых необходимо выбрать пружину, наиболее подходящую к данной конструкции датчика. Размеры пружины, полученные расчетным путем, округляют в соответствии с сортаментом лент из пружинных сталей.
На рисунке 4 представлен общий вид разработанного дифференциального ВОВД.
Рисунок 4 - Общий вид дифференциального ВОВД
Дифференциальный ВОВД состоит из шарообразной линзы 1, закрепленной на упругих подвесах 2, устанавленных в корпусе 4 при помощи крышки 3 и крепежей 5; волоконно-оптического кабеля 8, содержащего ПОВ (пучок 1), ООВ (пучок 2), которые жестко закреплены в наконечниках 7 на расстоянии 1 и 11 относительно ШЛ; втулки 6; фотоблока (фотодиоды 10 и светодиод 9).
В качестве упругих подвесов используется плоская пружина с отверстием, обладающая более высокой чувствительностью к нагрузкам по сравнению с упругими подвесами других типов. Так как дифференциальный ВОВД работает при переменных напряжениях, в широком температурном диапазоне с циклическим изменением температуры окружающей среды, то упругий подвес выполнен из стали 3 6НХТЮ, наиболее полно удовлетворяющей этим и ряду других условий.
ПОВ, ШЛ, ООВ расположены на одной оптической оси. Полость А между корпусом 4 и крышкой 3 заливается герметикой, тем самым обеспечивается неподвижность волокон.
Фотоблок представляет собой держатель 11, в который вклеены светодиод 9, фотодиоды 10. Фотоблок присоединяется к блоку преобразования информации (БПИ) с помощью розетки 12 типа СНЦ13-10/10 Р-11-В. К контактам розетки подпаиваются выводы светодиода и фотодиодов. Для исключения
механический повреждений предусмотрен колпачок 13.
Структурная схема дифференциального ВОВД приведена на рисунке 5.
БП - блок питания; ПТН1, ПТН2 - преобразователи "фототок-напряжение";
ИИ - источник излучения; ДН - делитель напряжения;
УЮ1, УЮ2, УЮ3 - узлы юстировки; МП - масштабный преобразователь;
ОР1, ОР2, ОР 3- оптические разъемы; БПИ - блок преобразования;
ПОВ - подводящее оптическое волокно; ОЭБ - оптоэлектронный блок;
ОЧЭ - оптический чувствительный элемент; ВОК - волоконно-оптический кабель;
ООВ1, ООВ2 - отводящие оптические волокна; ВОП - волоконно-оптический преобразователь
ПИ1, ПИ2 - приемники излучения
Рисунок 5 - Структурная схема дифференциального ВОВД
Принцип действия дифференциального ВОВД заключается в следующем. Электрический сигнал Од, поступающий на вход оптоэлектронного блока вибродатчика, преобразуется с помощью электрооптического преобразователя ИИ в оптический сигнал Фо, по ПОВ подается в зону измерения., т.е. на оптический чувствительный элемент. Под действием вибрации происходит перемещение шарообразной линзы и изменение интенсивности сигнала Фо. Световые потоки Ф1 (а) и Ф2 (а), прошедшие через шарообразную линзу, которая перемещается под действием вибрации, по ООВ первого и второго измерительных каналов соответственно поступают на приемники излучения ПИ1 и ПИ2 также первого и второго измерительных каналов соответственно через оптический разъем ОР1 и ОР2, где преобразуются в эквивалентный фототок Х1 (а) и 12 (а), который в последствии преобразуется в напряжение О1 (а) и 02 (а) с помощью преобразователей "фототок-напряжение" первого и второго измерительных каналов соответственно, здесь же
О1 (а) и О2 (а) усиливаются до необходимой величины.
Таким образом, на выходе ПТН1 и ПТН2 получается напряжение, по амплитуде которого можно судить
о наличии вибрации в зоне измерения.
Таким образом происходят следующие преобразования:
Рисунок 6
Заключение
1 Датчик имеет простую, надежную конструкцию, не требует сложных технологических, юстировочных и измерительных операций при изготовлении оптической части, имеет дешевую компонентную базу -многомодовые оптические волокна. Соответственно, предлагаемое техническое решение не ведет к лишним материальным затратам.
2 Так как в конструкции датчика используется дифференциальная схема управления световым потоком, то:
- за счет суммирования нескольких световых потоков (по количеству ООВ) увеличена чувствительность преобразования,
- получена линейная функция преобразования,
- снижены погрешности, обусловленные:
1) изменением мощности источника излучения, чувствительности приемников излучения при изменении температуры окружающей среды;
2) зависимостью механических свойств упругого подвеса от температуры окружающей среды;
3) изгибами оптических волокон под воздействием внешних дестабилизирующих факторов.
Литература
1. Бадеева Е.А., Гориш А.В., Котов А.Н., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. - М.: МГУЛ, 2004. -246 с.
2. Мурашкина Т. И. Теория, расчет и проектирование волоконно-оптических измерительных приборов и систем / Учебное пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - 133 с.
