Анализ известных волоконно-оптических датчиков давления и технологий их изготовления Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Анализ известных волоконно-оптических датчиков давления и технологий их изготовления

Анализ известных волоконно-оптических датчиков давления и технологий их изготовления

Бростилов С. А., Бростилова Т.Ю.

ФГБОУВПО «Пензенский государственный университет» brostilov(q),yandex, ru, tat-krupkina(a),yandex, ru

Танатов M.K.

Военный институт Сил воздушной обороны имени Т. Я. Бигельдинова Аннотация. Предъявляемые требования к современной измерительной аппаратуре в ракетно-космической и авиационной технике, являются повышенная надежность и точность измерений. Волоконно-оптические датчики соответствуют этим требованиям. В данной работе проведен анализ существующих волоконно-оптических преобразователей, составляющих основу волоконно-оптических датчиков давления. Рассмотрен подробно принцип действия каждого из этих преобразователей и их конструктивные особенности. Приведены конструктивные и оптические параметры оптического канала и измерительного преобразователя.

Ключевые слова: Волоконно-оптический датчик давления, волоконно-оптический преобразователь, оптический канал, подводящие и отводящие оптические волокна, конструктивные параметры.

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к современным информационно-измерительным системам ракетно-космической и авиационной техники (РК и AT), являются повышенная надежность и точность измерений [Карчевский Д.О., 2014]. При этом все чаще встречаются требования абсолютной искро-, взрыво-, пожаробезопасности, работоспособности в условиях воздействия сильных электромагнитных помех. В отличие от традиционных систем волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС) на основе волоконно-оптических датчиков позволяют решить эти задачи.

Волоконно-оптический датчик давления (ВОДЦ) является оптическим прибором, так как его основная функция выполняется с помощью оптической системы - совокупности оптических деталей (оптических волокон, линз, призм и т.д.), отражающих, преломляющих и дифрагирующих поверхностей. Ввиду того, что световой поток "канализируется" по отводящему оптическому волокну (ОВ) в зону измерения и обратно оптическую систему и подводящие и отводящие оптические волокна объединяют под одним термином - "оптический канал" [Жилин, 1987].

Амплитудные волоконно-оптический преобразователь (ВОП) по типу оптического канала (ОК) делят на три больших класса:

- ВОП с открытым оптическим каналом;

- ВОП с закрытым оптическим каналом;

- ВОП без внешнего источника излучения (ИИ) и подводящего оптического волокна (ПОВ).

В ВОП первого класса изменения измеряемой (или промежуточной) физической величины (ФВ) вызывают изменения условий распространения света в разрыве волоконно-оптического канала в зоне измерений. При этом изменяется интенсивность излучения, проходящего с выхода подводящего оптического волокна на вход отводящего оптического волокна через зону измерений.

В ВОП второго класса изменения измеряемой (или промежуточной) ФВ ведут к изменению условий распространения света в волоконно-оптическом канале в зоне измерений. В этом случае изменения геометрических или физических параметров ОВ под действием измеряемой ФВ ведут к изменению интенсивности излучения, проходящего через ОВ.

В ВОП третьего класса изменения измеряемой физической величины вызывают изменения параметров излучения светогенерационных веществ, расположенных в зоне измерений. В этом случае регистрируется изменение интенсивности излучения, поступающего на вход отводящего оптического волокна (ООВ).

Оптический канал датчиков давления может быть первого или второго класса.

ВОП первого класса делят на следующие группы:

1.1 ВОП проходного типа, в которых модуляция интенсивности оптического сигнала осуществляется благодаря изменению взаимного расположения ПОВ и ООВ: поперечному, продольному и угловому взаимным перемещениям их друг относительно друга.

1.2 ВОП отражательного типа, в которых модуляция интенсивности оптического сигнала осуществляется благодаря изменению положения отражателя, расположенного на пути светового пучка, в продольном, поперечном и угловом направлениях [Бростилов, 2013; Бростилова и др., 2013].

1.3 ВОП аттенюаторного типа, в которых модуляция интенсивности оптического сигнала осуществляется благодаря изменению положения помещенного на его пути ослабляющего оптическую мощность аттенюатора: в виде непрозрачного экрана, оптического фильтра. К этой группе относят ВОП, в которых под действием контролируемой величины изменяется прозрачность среды между оптическими волокнами, выполняющая в данном случае роль аттенюатора [Крупкина, 2006].

1.4 ВОП нефелометрического типа, в которых модуляция интенсивности оптического излучения, проходящего через контролируемый объект, осуществляется в результате рассеяния на неоднородностях и пропорциональна числу рассеивающих частиц в единице объема.

Анализ известных волоконно-оптических датчиков давления и технологий их изготовления_

1.5 ВОП с нарушением условия полного внутреннего отражения (ПВО), в которых интенсивность оптического сигнала уменьшается при нарушении условия ПВО или скачкообразно, если изменяется показатель преломления внешней среды, или в зависимости от зазора между ОВ и контролируемым объектом (туннельный эффект), или в зависимости от величины оптического контакта между ОВ и контролируемым объектом [Бростилов и др., 2010].

ВОП второго класса делят следующим образом:

2.1 ВОП изгибного типа, в которых модуляция интенсивности оптического сигнала происходит при прохождении его по изогнутому ОВ с переменным в зависимости от контролируемой величины радиусом.

2.2 ВОП микроизгибного типа, представляющие собой разновидность предыдущей группы, но в виду того, что первые применяются чаще как сигнализаторы (у них релейная характеристика), а вторые - для измерения текущего значения контролируемой величины, целесообразно их выделить в отдельную группу. Основное конструктивное отличие - наличие нескольких изгибов волокна, радиус которых сравним с диаметром волокна.

2.3 ВОП рефрактометрического типа, в которых модуляция интенсивности оптического сигнала осуществляется за счет изменения коэффициента преломления оболочки ОВ. Например, для измерения температуры снимается небольшой участок оболочки, на место которой напыляется температурозависимое покрытие, меняющее свой коэффициент преломления в функции контролируемой температуры.

2.4 ВОП поглощающего типа, в которых модуляция интенсивности оптического сигнала осуществляется за счет изменения прозрачности материала сердечника ОВ.

В зависимости от решаемой задачи разнообразие принципов действия ВОП значительно ограничивается. С целью унификации схемно-конструктивных решений и ограничения номенклатуры ВОДЦ для изделий космической и авиационной техники (КАТ) рекомендуется использование явлений отражения, прерывания, преломления во вновь разрабатываемых ВОДЦ. В случае для контроля давления на объектах КАТ можно использовать явления отражения и прерывания (гашения), которые реализуются в ВОП с открытым ОК. Перечисленные принципы преобразования наиболее просты и доступны при физической реализации технических решений ВОДЦ. Применение принципов действия, связанных с изменением геометрических параметров ОВ нецелесообразно, так как ведет к снижению надежности датчиков.

Как показано выше, основу измерительных преобразователей ВОДЦ составляет оптический канал. ОК служит для обеспечения требуемых энергетических соотношений, формирования рациональной пространственной структуры пучка света. Его состояние в процессе

воздействия измеряемого давления Р и не измеряемых параметров внешней среды % определяет достоверность результатов измерения 7 (рисунок 1).

г

& £

Л

оптический канал

2

1

7

А - множество значений параметров оптического сигнала на входе а^,

В - множество значений конструктивных параметров ОК Ьт;

Е - вектор возмущений Г- вектор состояния ОК^;

Р - измеряемое давление

Рис. 1. Оптический канал ВОДЦ

Поэтому необходимо вьщелить ОК как объект управления, на который можно целенаправленно воздействовать.

ОК характеризуется следующими конструктивными и оптическими параметрами, изменение которых обеспечивает требуемое течение процесса преобразования в волоконно-оптическом преобразователе:

- формой и радиусом кривизны преломляющих и отражающих поверхностей;

расстоянием между преломляющими, отражающими, рассеивающими и поглощающими поверхностями;

- показателями преломления сердцевины и оболочки ОВ и сред, составляющих оптическую систему;

- диаметрами сердечника, оболочки и защитного покрытия ОВ;

- пространственным распределением передающих и приемных волокон в приемных и излучающих торцах ВОК;

- материалами конструктивных элементов ОК (рисунок 2)

Анализ известных волоконно-оптических датчиков давления и технологий их изготовления

Оптический канал

1 г

1 г 1'

Волоконно -оптический кабель Измерительный преобразователь (зона измерений)

Схема расположения ОВ в приемном торце Формы и радиусы кривизны преломляющих и отражающих поверхностей

Схема расположения ОВ в передающем торце

Расстояние между преломляющими, отражающими, рассеивающими, излучающими и поглощающими поверхностями

Схема расположения ОВ в общем торце

Параметры ОВ: диаметры сердцевины, оболочки, апертурный угол, коэффициенты преломления сердцевины и оболочки Показатели преломления сред, составляющих оптический канал

Материалы конструктивных элементов РШ

Рисунок 2- Параметры оптического канала ВОДЦ К входным параметрам А амплитудного ВОП давления относятся:

1 Длина волны Л зондирующих сигналов.

2 Вид зондирующих сигналов.

3 Средняя мощность Рш в импульсе зондирующих сигналов, дБм.

4 Порог чувствительности 7пор.

5 Динамический диапазон входных сигналов, дБ.

6 Частотный диапазон/измеряемого давления, Гц.

7 Диапазон значений измеряемого давления.

Конструктивные параметры В перечислены на рисунке 1.1. К выходным параметрам У амплитудных ВОП давления относятся:

1 Динамический диапазон изменения вносимых оптических потерь в измерительном преобразователе (ИП), дБ.

2 Номинальная функция преобразования Ф(Р).

3 Глубина модуляции сигналов отклика ИП.

4 Средняя мощность Рио в импульсе сигналов отклика ИП, дБм.

5 Вариация выходного сигнала.

6 Предел допускаемого значения приведенной основной погрешности уо,%.

7 Предел допускаемого значения приведенной дополнительной погрешности у(£), %.

Измеряемое давление можно отнести к управляющим воздействиям, если имеется априорная информация о его поведении при протекании некоторого контролируемого процесса.

Управляемые элементы ОК условно делят на две группы:

- параметры первой группы определяются на этапе разработки ВОДЦ и в процессе измерения остаются неизменными;

- параметры второй группы изменяются под действием измеряемого давления Р.

Очевидно, что неизменными остаются схемы расположения оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле (ВОК), материалы конструктивных элементов. Параметры остальных элементов могут изменяться тем или иным образом под непосредственным воздействием измеряемого давления Р или посредством промежуточных преобразователей. Управляемые параметры, определяемые на этапе проектирования, оказывают существенное влияние на результат измерения, так как определяют характеристики ОК. Поэтому необходимо на начальных этапах проектирования выполнить тщательные расчеты по определению оптимальных параметров оптического канала, остающихся неизменными в процессе измерения.

Управление световым потоком оптического канала ВОП осуществляется посредством управляющих элементов и устройств и управляемых параметров ОК, в качестве которых в каждом конкретном случае выступают или специально вводимые в конструкцию ОК устройства управления, или изменяемые в процессе измерения параметры среды распространения оптического сигнала.

Список литературы

[Жилин, 1987] Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 112с.

[Бростилов и др., 2010] Бростилов, С.А. Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта / С.А. Бростилов, Т.И. Мурашкина, Т.Ю. Бростилова// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Пенза: Изд-во ПГУ 2010 г., №4. - с. 106-117.

[Крупкина, 2006] Крупкина Т.Ю. Оптические аттенюаторы волоконно-оптических преобразователей/ Т.Ю. Крупкина, А.Г. Пивкин// Труды международного симпозиума «Надежность и качество» 22-31 мая 2006 Том 1. Пенза: ИИЦ 2006 г., с.342-344 [Бростилов, 2013] Варианты исполнения волоконно-оптических преобразователей микроперемещений отражательного типа/Бростилов С.А.// Труды международного симпозиума «Надежность и качество» 2013. - Том 2. - Пенза: Изд-во ПГУ 2013 г.- с.13. [Бростилова и др., 2013] Волоконно-оптический датчик деформации / Бростилова Т.Ю., Бростилов С.А., Мурашкина Т.И.//Надежность и качество сложных систем . 2013. № 1. С. 93-99.

[Карчевский Д.О., 2014] Учёт герметизации при расчёте надёжности функциональных узлов космических аппаратов/Карчевский Д.О., Полесский С.Н.// Новые информационные технологии в автоматизированных системах, - Москва: Изд-во Московский институт электроники и математики НИУ ВШЭ 2014г., №17 - ст. 550-555.