CC BY
52
ЛРИІОГОСГРОІНИг. МПРОЛОГИв И МНФОРМАЦИОННОИІГ/ІРИТЕЛЬНиї ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
Новосибирский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА
Рассматриваются основные параметры преобразовательных характеристик амплитудных волоконно-оптических датчиков (ВОД) давления рефпектометрического типа и исследуется влияние конструкции ВОД на эти параметры.
Ключевые слова: волоконно-оптические датчики давления, преобразовательные характеристики.
1. Введение
Общие вопросы проектирования волоконно-опти-ческих датчиков (ВОДІ давления рассматриваются в работах (1 — 4).
Преобразовательная характеристика применительно к амплитудным волоконно-оптическим датчикам давления рефлектометрического типа имеет «ид (2,-1-6):
или
1/-р,№Лр)1
Ар > Ах -> А! > ЛІІ,
(1)
іде Ар — давление или изменение давления; Ах — смещение чувств тыльного элемента; А1 — изменение потока оптического излучения; ли - изменение выходного сигнала; Г, Г.,, Р., - частные функции иреоб-разоиания, которое » данном случае соответствует3 этапам преобразования: давления в перемещение, перемещения в изменение светового потока, изменение светового потока в электрический сигнал [б].
Наиболее важной из частных функций преобразования является функция преобразования оптической модуляции (Я,). От нее в наибольшей степени зависит ход общей преобразовательной характеристики датчика, а, следовательно, и метрологические характеристики датчика в целом.
В работах 12.4,7,8] было описано поведение преобразовательной характеристики (/■*',) для конс трукций с единичными оптическими волокнами, а также с волоконно-оптическими кабелями, однако выбор рабочей точки (начального расстояния между горцами оптических волокон и поверхностью микрозеркала) в зависимости от основных параметров преобразовательной характеристики в литературе детально не описан. Эго описание является целью да иной работы.
2. Основная часть
Преобразовательную характеристику Я, датчика рассмотрим в двух волоконном приближении [8,9).
На рис.1 приведены необходимые обозначения. Какпоказанов (9}, реальное взаимное расположение оптических волокон и микрозеркала приводит к почти эллиптической форме отраженного светового луча. Его параметры завися т от радиуса волокон г, угла расхождения 0, эффективного угла наклона у. Снеговой поток, падающий па фотоприемиик, пропорционален площади заштрихованного участ ка.
Как было показано в |7), преобразовательная характеристика Г, существенно зависитегг параметра «а», однако зависимость, приведенная на рис. 2, показывает, что при технологическом разбросе этого параметра ^:5 - 7% ход суммарной характеристики близок к средней моделируемой. В указанном на рис. 2 диапазоне разница по выходному сигналу составляет около 1 %.
Более существенное различие по выходному сигналу наблюдается при учете неодинакового начальною расстояния между торцами волокон по площади общего торца кабеля и плоскостью микрозеркала (I.).
На рис. 3 показаны типичные зависимости выходного сигнала от расстояния до микрозеркала при разных начальных Ь. Параметр у=2,5', диаметр горца кабеля 0 = 2 мм.
В указанном на рис. 3 диапазоне расстояний до микрозеркала разница по выходному сигналу между средним арифметическим значением по вкладам в преобразовательную характеристику и вкладу в преобразовательную характеристику от излучающего волокна, находящегося на расстоянии Ь*= 1~+ (Оыпу)/2 составляет около 8-10%.
Анализируя приведенные выше результаты моделирования и данные, указанные в работе (7), а также с учетом того, что радиус и числовая апертура оптических волокон мо1*ут быть заранее известны с I необходимой точностью, можно отметить, что из конструктивных параметров рассматриваемой модели (а, г, 0, у1. наибольший интерес представляет параметр у -эффективный угол наклона микрозеркала к плоскости торцов оптических волокон.
Таким образом, для определения рабочей точки датчика, кроме величины выходного сигнала, необхо-
Рпсстоякнс, ІЛ
Рис. 4. Зависимость чувствительности от расстояния до мнкрозсркала при разных у
Рис. І. Схема, объясняющая зависимость интенсивности светового потока в приемном подокне от взаимного расположения оптических волокон и отражающей поверхности с учетом параметра у
2.5 5 7.5
Расстояние. Ь'і
Рис. 3. Зависимость нелинейности от расстояния до микрозеркала при у=0
Расстояние. Ь'г
і)
Рис. 2. Зависимость выходного сигнала от расстояния до микрозеркала.
Параметром является а - расстояние между осями -<">5: испускающих и приемных волокон
■0.064
-о іг»
Рис. 3. Зависимость выходного сигнала от перемещения. Разное расстояние между торцами подокон по площади общего торца жгута и плоскостью микрозеркала
Рис. 6. Зависимость нелинейности от расстояния до микрозеркала при разных у
4
Расстояние, Ь'Г
•о»»
I 2 3 4 5 6
Перемещение, [Л
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК Ы> 3 (83) 2009 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. МЕТРОЛОГИЯ И ИНвОРМЛЦИОН НО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. МПЮЛОГИЯ И ИНФОРМЛиИОИНОИІМЕРИІЕЛЬНиі flP*tOPW И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТИИК Н»3 llti 200»
Расстшипк. 1/г
Рис. 7. Зависимость параметра 8 от расстояния до микрозеркало при разных у
димоучитывать, по крайней море, 3 параметра: знаменно чувствительности, нелинейности и угла у.
Чувствительность и нелинейності. определяем, как указано в работе 110]:
S_dy/dx, N1 = d7y/dx*,
12)
(3)
где у = 1/Г„ — приведенный выходной сигнал |7), х = 1Уу - приведенное расстояние между горцами оптических волокон и мнкрозеркалом.
В качестве критерия выбора рабочей точки можно рассматрива ть минимум по модулю числа 5, которое определяется выражением (4):
Й= (N1 • (L— L0)|/S,
(4)
где N4.5 - нелинейность и чувствительность преобразовательной характеристики в данном диапазоне перемещений, Ь= + 1Ч1 — текущее положение
рабочей точки (начальное расстояние между торцами оптических волокон и мнкрозеркалом при отсутствии давления), - максимальное смещение мембранного мнкрозеркала от положения равновесия иод воздействием измеряемого давления для данного 1_(|.
На рис. 4-7 показаны зависимости чувствительности, нелинейности критерия 5 соответственно для модели, состоящей из 2-х отдельных волокон.
Анализ чувствительности, ноли ней пост и параметра у для этого случая показывает, ч то при указанных выше а и 0 и критерия б, не правы тающего 0,1 %, рабочая точка Ц.должна лежать п диапазоне 2,375 - 3,375. Параметру при этом не должен превышать 5—7 градусов.
Необходимо отметить, что в случае многоволоконного приближения ход указанных на рис. 4-7 зависимостей (положение экстремумов и квазилинейных участков относи тельно пространственной координаты) практически не изменяется.
В результате проведенного моделирования поведения функции преобразования оп тической модуляции (F2) получены количественные оценки чувствительности (S) и нелинейности (N1) указанной функции в зависимости от конструктивных параметров рассматриваемой модели {а. г, 0, у), введен критерии 6, учитывающий связь между оптимальным расстоянием L и величинами S и N1.
Результаты моделирования позволяют подобра ть оптимальное положение рабочей точки амплитудною ВОД давления рефлектометрическоютипа в целом, что упрощает его инженерное проектирование.
Библиографический список
1. Бусурин,В.И. Волоконно-оптическиелатчимсфизические основы расчёта и применении / В. И. Бусурин, Ю.Р. Носов. - М.: Энергоэтомнэдат. 1090. - 254 с.
2. Зак. Е.Л. Волокошю оптические преобразователис внешней модуляцией / Е.А Здк — М.: Эпсргоатомиздат, 1989. — 128с,
3. Vayanov. V.I. Construction problems in sensors / V I. V,i<ja-nov // Sensors and actuators, A. - 1991. — №>28. — C.16I - 172.
•1. Пивкин, А.Г. Теоретические ОСНОВЫ проектировании амплитудных волоконио'оптнчоских датчиков давлении с открытым оптическим каналом / А.Г. Пивкин. Е. А. Бадеева. AU. Горит {и ЛР-)- - М.: М1"УА. 200-1 - 2-lGc.
5. Билик. Л.Д. Амплитудные волоконно-оптические датчики какяломсиггы систем управлении и кот-роли и электроэнергетике / Л.Д. Бнлнк//11аучные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. - № I. - С.278-282.
6. Бялик. Л.Д, Методика расчета функции преобразования амплитудных волоконно-оптических датчиков как элементов систем управлении и контроля электроэнергетического оборудования / Л.Д Билик // 11аучные нроОле.мы транспорта Сибири и Дальнего Востока. — 2008. — N0 1. — С. 276 — 278.
7. Бялик, АД Особенности проектировании амплитудных волоконно-оптических датчиков давления :сб. науч.тр. 11ГТУ. -Новосибирск. 2003. — N$4 - С. 159— 163.
8. Мурашкина, Т.Н. Амплитудные волоконно-оптические датчики автономных систем управления / Т.Н. Мурашкина,
B.И. Волчихин. — Пенза: Информационно-издательский центр ПТУ, 1999. - 173 с.
9. Билик. Л Д. Особенности преобразовательных характеристик амплитудных волоконно-оптических датчиков давлен ни
рефлектометрического типа / АД. Бялик // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2009. - No 1. —
C. 270-280,
10. Ру мши некий А.З. Математическая обработка результатов эксперимента : справочное руководство / А.З. Румшиисхий. -М.:Наука. 1971. - 72с.
БЯЛИК Александр Давидович, ассистент кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники. Адрес для переписки: о-таП:
Статья поступила и редакцию 03.09.2009г.
©АД. Бялик
