CC BY
27
УДК 681.121.89, 681.121.873, 62-1/-9
Т. И. Мурашкина, Е. А. Бадеева, О. В. Юрова, Д. И. Серебряков, А. Ю. Удалов, К. Д. Серебряков, Е. А. Шачнева
Метрологическое обеспечение испытаний волоконно-оптических преобразователей угловых микроперемешений
Ключевые слова: Система жизнеобеспечения, параметры жидкостных сред, волоконно-оптический преобразователь, угловое микроперемещение, установка для воспроизведения углового микроперемещения, оптический тестер, волоконно-оптический кабель.
Keywords: life support system, parameters of liquid environments, fiber and optical converter, angular micromovement, installation for reproduction of angular micromovement, optical tester, fiber and optical kabel.
Предложена измерительная установка для реализации нового способа воспроизведения параметров жидкостных потоков в целях экспериментального исследования дифференциальных волоконно-оптических преобразователей угловых микроперемещений, которые являются базовыми элементами волоконно-оптических датчиков, разрабатываемых для измерения параметров жидкостных потоков в медицинских системах жизнеобеспечения.
В современных медицинских системах жизнеобеспечения все чаще применяются волоконно-оптические средства измерений. Волоконно-оптические преобразователи угловых микроперемещений (ВОПУМП) отражательного типа являются базовыми элементами многих волоконно-оптических датчиков (ВОД), применяемых в этих системах: дав-
ления, расхода жидкости, ускорений, деформации и других физических величин (ФВ) [1].
ВОПУМП преобразует изменение угла наклона отражающих поверхностей модулирующего элемента (МЭ) в изменение интенсивности светового потока.
Расчетно-конструктивная схема дифференциального ВОПУМП отражательного типа приведена на рис. 1.
Подводящие (ПОВ) и отводящие (ООВ) оптические волокна в ВОПУМП расположены относительно отражающих поверхностей МЭ на равном расстоянии и соосно относительно друг друга. МЭ, воспринимающий измеряемую ФВ, выполнен в виде металлической пластины (МП), имеющей зеркальные внешние поверхности. С двух сторон МП расположены оптические волокна первого и второго измерительных каналов (ИК), причем ПОВ1 первого измерительного канала расположены со-осно с ООВ2 второго измерительного канала и, на-
а)
б)
ФгЫ
Рис. 1 \ Расчетно-конструктивная схема дифференциального ВОПУМП: а — при a = 0°; б — при a = 3°
оборот, ПОВ2 второго измерительного канала расположены соосно с ООВ1 первого измерительного канала. Приемные торцы ПОВ первого и второго ИК подстыкованы к одному и тому же источнику излучений — инфракрасному светодиоду 3Л107Б. Излучающие торцы ООВ первого и второго ИК подстыкованы к фотодиодам ФД-256 первого и второго ИК соответственно.
Ширину и длину МП выбирают таким образом, чтобы размеры светового пятна в диапазоне измерения не превышали размеров пластины. Если ОВ имеют диаметр сердцевины dс = 0,2 мм, внешний диаметр doв = 0,5 мм, тогда расчетные значения МП: ширина — 3 мм, толщина — 0,2 мм, длина — 20 мм, расстояния D = 0,7 мм, ^0 = 1,5 мм [1].
Оптико-механическая система ВОПУМП имеет конструктивные параметры, которые обеспечивают выполнение следующих требований:
• в отсутствие воздействия измеряемой ФВ световое излучение, выходящее из торцов ПОВ1 и ПОВ2, после отражения от зеркальных поверхностей МП должно распределяться таким образом, чтобы площадь перекрытия светового пятна и приемных торцов ООВ1 и ООВ2 равнялась половине площади приемных торцов волокон (рис. 1, а);
• при воздействии ФВ на МП должно происходить угловое перемещение МП на угол а и соответственно изменяться площадь перекрытия светового пятна и приемных торцов ООВ1 и ООВ2;
• отклонение МП на максимальный угол (3°) вправо приводит к полному перекрытию площади приемного торца ООВ1 отраженным от МП световым потоком, а на приемный торец ООВ2 световой поток поступать не будет (рис. 1, б).
Аналогичные процессы происходят при отклонении МП на максимальный угол (3°) влево.
Для достижения улучшенных метрологических характеристик датчиков с ВОПУМП необходимо определить вид функции преобразования I = Да),
диапазон изменения угла а, конструктивные параметры узла юстировки ПОВ, ООВ, МП: расстояние ^0 между общим торцом ООВ и ПОВ и МЭ, межцентровое расстояние D между ОВ. Кроме того, перед окончательной сборкой датчика необходимо выполнить юстировку и настройку оптико-механической системы ВОПУМП. Для этого требуется специализированное метрологическое обеспечение.
Авторами разработана измерительная установка (рис. 2), состоящая из оптического тестера, волоконно-оптического кабеля (ВОК), установки для воспроизведения углового микроперемещения (УВУП) (рис. 3) [2].
УВУП содержит жгут ПОВ и ООВ 13 (рис. 3), рабочие концы которого закреплены в наконечниках 6, фиксируемых винтами 15 в стойке 5 симметрично относительно металлической пластины 1 , имеющей зеркально отполированные внешние поверхности. МП жестко крепится при помощи пайки в державке 2.
Угол задается с помощью системы задания угла, в которую входят: двушкальный механизм 11 микрометрического винта, имеющий сферический наконечник 10, винт-стойка 7, регулировочная гайка 8, пружина 9, державка 2, расположенная на расстоянии Xl относительно основания 3, и шарнир 4, выполненный из искусственного рубина в виде призмы и приклеенный к основанию 3.
Двушкальный механизм 11 установлен в крышке корпуса 16.
Так как используется микрометрический винт, необходимо сопоставить перемещения Н с отклонением от вертикали а.
Соответствие перемещения Н угловому перемещению а
Н, мкм . . . . . 0 0,261 0,525 0,768 1,047 1,308
а, ...° .... . . . 0 0,5 1 1,5 2 2,5
. . . 1,569 1,83 2,094 2,355 2,616
а, ...° .... . . . 3 3,5 4 4,5 5
Рис. 2
Измерительная установка для экспериментальных исследований ВОПУМП:
УВУП — установка для воспроизведения углового микроперемещения; ВОК — волоконно-оптический кабель; ПОВ1, ПОВ2 — подводящие оптические волокна; ФД — фотодиод; ООВ1, ООВ2 — отводящие оптические волокна; СД — светодиод
№ 1С43)/201Б |
биотехносфера
Рис. 3 Установка для воспроизведения углового микроперемещения УВУП:
1 — металлическая пластина; 2 — державка; 3 — основание; 4 — призма (шарнир); 5 — стойка; 6 — наконечник; 7 — винт-стойка; 8 — гайка регулировочная; 9 — пружина; 10 — наконечник микрометрического винта; 11 — двушкальный механизм; 12 — втулка; 13 — рабочий жгут ПОВ и ООВ; 14 — кабель; 15 — винт крепления наконечника; 16 — корпус
Конструкция установки обеспечивает воспроизведение угловых микроперемещений МП в диапазоне ±5° в обе стороны от вертикального положения.
Ограничителем перемещения является расстояние Х1 = A1 sin a, где A1 — 0,5 длины державки 2; a — максимальный угол отклонения, равный 5°.
При установке МП 1 в державку 2 необходимо обеспечить строгую перпендикулярность их плоскостей и параллельность отражающих плоскостей МП и оси качания державки. Выполнение этих требований достигается перпендикулярностью осей оптических волокон и отражающих плоскостей МП. Для этого МП устанавливают в державку с помощью специально изготовленного приспособления — кондуктора. Чтобы обеспечить начальное расстояние, например х0 = 1,5 мм, необходимо установить с обеих сторон МП однозначные меры в виде пластины номиналом 1,5 мм и подвести к ним вплотную наконечники с оптическими волокнами. При этом выходные сигналы фотодиодов, пристыкованных к ООВ, должны быть минимальными (числовое значение определяется экспериментальным путем для конкретного образца ВОПУМП). Если значения сигналов на выходе будут минимальными, то начальное расстояние хо = 1,5 мм между МП и торцами оптических волокон соответствует расчетному значению. Это положение МП определяет точку начала отсчета при измерениях.
Установка работает следующим образом. С помощью двушкального механизма 11 задается угловое перемещение МП. Пружина сжатия 9, установленная на расстоянии А от центра державки 2, препятствует свободному перемещению ее противоположного конца. В нулевом положении при отсутствии угла наклона МП лучи света от ПОВ1 и ПОВ2 под апертурным углом ©na к оптической оси волокна проходят в прямом направлении путь хо
до отражающей плоскости МП и путь х0 в обратном направлении к ООВ1 и ООВ2, расположенным в рабочих жгутах 13 (см. рис. 3). При этом в плоскости приемных торцов ООВ1 и ООВ2 наблюдается освещенная кольцевая зона шириной Н = гс, где гс — радиус сердцевины оптического волокна.
Подпружиненная державка с МП в центре отклоняется при помощи системы задания угла на угол а в одну или другую сторону относительно нулевого положения, изменяя световые потоки, падающие на плоскости торцов ООВ1 и ООВ2 после отражения зеркальными поверхностями МП. Кольцевая зона преобразуется в эллипсоидную, которая смещается относительно ООВ1 и ООВ2 в направлении Z [1]. При этом изменяются площади 5пр1 и 5пр2 приемных торцов ООВ1 и ООВ2, освещенные отраженными от зеркал световыми потоками, и выходной оптический сигнал преобразуется в токовый.
Если разрабатываются ВОД расхода жидкости, то при настройке оптико-механической системы необходимо воспроизводить параметры жидкостных потоков, например физрастворов в системах жизнеобеспечения, и обеспечить ее герметичность. В этом случае УВУП несколько видоизменяется. Остальные части измерительной установки остаются неизменными.
На рис. 4 представлена упрощенная конструктивная схема УВУП для воспроизведения и измерения параметров жидкостных сред.
Способ воспроизведения параметров жидкостных потоков заключается в том, что через трубу известного поперечного сечения пропускают жидкостный поток, параметры которого определяют по изменению уровня жидкости в емкостях на входе или выходе трубопровода за фиксированный период.
12
10
11
Рис. 4
Упрощенная конструктивная схема УВУП для воспроизведения и измерения параметров жидкостных сред
Устройство включает следующие элементы для воспроизведения параметров перекачиваемой жидкости: трубопровод 1, через который протекает жидкость, емкость 2 со шкалой, отградуированной по высоте в значениях уровня жидкости, емкость 3 для слива также со шкалой, отградуированной по высоте в значениях уровня жидкости, шланги 4 и 5, насос 6, таймер 7, соединенный с пусковым устройством насоса. Насос 6 размещен на дне емкости 2 (желательно прозрачной) с жидкостью, уровень которой определяется по шкале. Концы шлангов 4 и 5 опущены в емкости 2 и 3 соответственно. Другие концы шлангов 4 и 5 герметично соединены с разных сторон с трубопроводом 1 .
Устройство включает следующие элементы для измерения параметров жидкостного потока: воспринимающий элемент 8, один конец которого закреплен на глухом торце внутри сильфона 9, а другой свободный конец расположен в трубопроводе 1 в зоне протекания жидкости, МП 10 с двумя зеркальными поверхностями, один конец которой закреплен на глухом торце снаружи сильфона 9, а другой свободный конец расположен на расчетном расстоянии относительно ПОВ 11 и ООВ 12 первого и второго измерительных каналов. Воспринимающий элемент 8 и МП 10 смещены относительно оси сильфона 9 на некоторые расстояния в противоположных направлениях. Сильфон 9 герметично закреплен на трубопроводе 1 .
Устройство работает следующим образом: при включении насоса 6 таймер начинает отсчет времени с момента времени ^ = 0, при выключении
прекращает работу в момент времени ¿2, соответственно время работы определится как = ¿"1 — ¿2. Перед началом измерений фиксируется уровень Н1 жидкости в емкости 2. В конце измерений в момент времени ¿2 фиксируется уровень Н2. С учетом закона Бернулли скорость потока в трубопроводе 1 определится по формуле
_ 5е Н2 - Н1
¿2 — ¿1
(1)
где 5е и 5т — площади поперечных сечений емкости и трубопровода соответственно.
Поток будет давить на воспринимающий элемент 8 с силой
(
¥ = ^ pSe(H2 — Н1)
Н2 — Н1
5т ¿2 — ¿1
2
(2)
где d — внутренний диаметр трубопровода.
Соответственно давление, действующее на воспринимающий элемент,
(
Р =
ркБеН — Н1)
5е Н2 — Н1
Бт ¿2 — ¿1
Л
(3)
25ВЭ ч „ . „
где к — коэффициент, характеризующий конфигурацию воспринимающего элемента; 5вэ — площадь поверхности воспринимающего элемента, на которую давит поток.
Под действием давления жидкостного потока воспринимающий элемент 8 отклонится на некоторый угол а, соответственно на такой же угол отклонится МП 10 с зеркальными поверхностя-
№ 1(43)/201Б |
биотехносфера
0,45
5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Перемещение, ... °
Рис. 5
Графические зависимости фототока от перемещения микровинта (0° < а < 5° в обе стороны от вертикали)
ми (см. рис. 1 и 4). Дальнейшие преобразования оптических сигналов аналогичны рассмотренным выше для рис. 2.
В схеме оптического тестера предусмотрены два приемника излучения (фотодиода) для обеспечения дифференциальной схемы (см. рис. 2).
Оптический тестер содержит источник излучения (инфракрасный светодиод 3Л107Б) с регулируемой мощностью излучения, два фотоприемных канала (фотодиоды с усилителями), блок обработки информации (программируемый микроконтроллер), цифровой индикатор и блок питания. На передней панели тестера расположены три кнопки: первая кнопка позволяет скомпенсировать начальные напряжения смещения фотоприемных каналов («Уст. 0»); вторая кнопка — выбор режима обработки информации; третья кнопка выключает отображение номера выбранного режима обработки информации.
Ток, проходящий через светодиод, может принимать три значения: 0; 50; 80 нА, выбираемые при помощи тумблера: «Уст. 0» — для компенсирования начальных напряжений смещения фотоприемных каналов (установка нуля), «50 нА» и «80 нА» — для проведения измерения. Фотодиоды ФД256 работают в фотогальваническом режиме, что обеспечивает низкий уровень собственных шумов. Они подключены к преобразователю «ток— напряжение», обеспечивающему близкое к нулю напряжение смещения (равно исм операционного усилителя) и малое (близкое к нулю) сопротивление нагрузки фотодиода. Это позволяет получить высокую линейность функции преобразования фотоприемных каналов в диапазоне изменения интенсивности принимаемого оптического сигнала от 0 до 106 нА.
Максимальный выходной сигнал фотопреобразователей — 5 В — определяется АЦП, встроенным в микроконтроллер Р1С16Е873/8Р. В соответствии с программой микроконтроллер обеспечивает три режима обработки информации:
• в первом режиме на цифровом индикаторе отображаются цифровые значения сигналов обоих каналов (^1 и ^2);
• во втором режиме отображается отношение этих сигналов (Т^/^);
• в третьем режиме отображается результат вычислений по формуле (/1- ^2)/(11 + /2).
Микроконтроллер при необходимости может скомпенсировать начальные напряжения смещения фотоприемных каналов. При выключенном источнике излучения нажимается кнопка «Уст. 0». Контроллер запоминает значения напряжений, имеющихся в этот момент на выходах фотоприемных каналов, и автоматически учитывает их при дальнейшей работе.
На рис. 5 представлены экспериментально полученные результаты зависимости значения фототока от углового перемещения.
Полученные экспериментальные данные преобразования оптических сигналов в ВОПУМП отражательного типа позволили определить оптимальные конструктивно-технологические параметры оптической системы ВОПУМП: а = ±3°, х0 = 1,5 мм, Б = 0,7 мм, необходимые для получения максимальной чувствительности преобразования оптических сигналов.
Работа подготовлена при финансовой поддержке РФФИ в форме гранта 15-08-02675.
Литература
1. Теоретические исследования волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений отражательного типа / О. В. Юро-ва, А. В. Архипов, И. Т. Назарова, Т. И. Мурашкина // Промышленные АСУ и контроллеры. 2011. № 10. С. 48-51.
2. Пат. РФ 2419765. МПК 001 В 21/00. Волоконно-оптический преобразователь углового перемещения / Т. И. Му-рашкина, А. Г. Пивкин, Д. И. Серебряков, О. В. Юрова. Бюл. № 15. Опубл. 27.05.2011.
3. Измерительная установка для исследований дифференциальных ВОПУП / О. В. Юрова, А. С. Щевелев, С. А. Бро-стилов, Т. И. Мурашкина // Промышленные АСУ и контроллеры. 2011. № 6. С. 58-64.
