CC BY
51
Назарова И.Т., Удалов А.Е., Бадеева Е.А., Серебряков К.Д., МурашкинаТ. И.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКАДАВЛЕНИЯ
В настоящее время достаточно широко распространены волоконно-оптические датчики давления (ВОДД) отражательного типа. На рисунке 1 приведена упрощённая конструкция дифференциального ВОДД отражательного типа.
Рисунок 1 - Упрощённая конструкция дифференциального ВОДД отражательного типа
Датчик содержит рабочий жгут подводящих 1 (ПОВ) и отводящих 2 (ООВ) оптических волокон, общий торец которых закреплен во втулке 3 на расстоянии Хоот отражающей поверхности мембраны 4, выполненной за одно целое со штуцером 5 (возможно изготовление отдельно мембраны и отдельно корпу-са/штуцера). Начальный зазор между мембраной и общим торцом рабочего жгута оптических волоконвы-ставляется с помощью прокладки 6. Втулка 3 жестко закреплена посредством прокладки 6 и корпуса 7 относительно штуцера 5. Во втулке 3 на расстоянии Хоот отражающей поверхности мембраны 4, жестко закреплен общий торец дополнительного жгута подводящих 8 и отводящих 9 оптических волокон. Оптические оси ПОВ и ООВ дополнительного жгута расположены относительно оптических осей ПОВ и ООВ рабочего жгута на расстоянии А соответственно, определяемом выражением:
A =
——rji)W + 2 x0tg& Na X0
COS (eNA + 2a) _ x0
sin2 (Q Na +a) COS Qn
cos (qna+a
+ R _ xatgQNA _ rc,
sin a
где ^в - диаметр оптического волокна; rc - радиус сердцевины оптического волокна; W - прогиб мембраны; @ш - апертурный угол.
Принцип действия ВОДД следующий. Под действием давления мембрана прогибается, интенсивность потоков, отраженных от нее и поступающих в ООВ 1 и ООВ 2, изменяется, т. к. при прогибе мембраны в центральной части изменяется расстояние Х, а в периферийной - угол а. Отраженный световой поток Фо1(Р) = Ф1(Х) , изменяющийся в соответствии с законом изменения измеряемого давления Р, по ООВ1
поступает на рабочий приемник излучения ПИ1, где формируется электрический сигнал J1(P). Отраженный световой поток Фо2(Р)=Ф2(о), изменяющийся в соответствии с законом изменения измеряемого давления Р, по ООВ2 поступает на рабочий приемник излучения ПИ2, где формируется электрический сигнал J2 (Р) .
При изменении температуры окружающей или измеряемой среды изменяются геометрические параметры мембраны: толщина Ьи радиус Р, а также упругие свойства мембраны, что ведет к изменению модуля упругости материала мембраны Е. Для уменьшения температурной погрешности датчика, обусловленной перечисленными факторами, повышения чувствительности преобразования, необходимо сформировать отношение разности сигналов J1(P) иJ2(Р)к их сумме: J1(P)-J2(P)/J1(P)+J2(P). Данная операция позволяет также компенсировать изменения мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов.
Предложено конструктивное решение установки для проверки работоспособности и исследования характеристик ВОДД отражательного типа. На рисунке 3 представлен общий вид данной установки.
Рисунок 3 - Общий вид установки для исследованияВОДД отражательного типа
Установка для исследования ВОДД отражательного типа состоит из датчика 1, механизма микрометрического 2, втулки 4, стойки 5, имитатора давления 6, волоконно-оптического кабеля (ВОК), тестера оптического, блока питания Б5-6.
Датчик 1 представляет собой чувствительный элемент, соединенный посредством сварки с корпусом. Чувствительный элемент выполнен в виде стаканообразной мембраны с отполированной поверхностью. Материал мембраны - сплав 36НХТЮ.
ВОК содержит ПОВ, ООВ 1, ООВ 2 первого и второго измерительных каналов соответственно. ВОК устанавливается в корпус датчика 1 посредством наконечника 7 на расстоянии Xq относительно рабочей поверхности мембраны. В наконечнике выполнены отверстия, межцентровые расстояния между которыми соответствуют межцентровым расстояниям между ПОВ, ООВ 1, ООВ 2 первого и второго измерительных каналов соответственно. Для крепления ВОК в корпусе датчика предусмотрена накидная гайка.
Установка работает следующим образом. С помощью микрометрического механизма 2 задается перемещение имитатора давления 6, соответствующее определенному значению измеряемого давления Р. Мембрана прогибается, происходит изменение интенсивности оптического излучения и дальнейшее преобразование выходного сигнала в стандартный токовый сигнал (показания снимаются с оптического тестера).
В качестве источника излучения используется светодиод СД-3Л107Б, в качестве приемника излучения - фотодиод ФД-КФДМ. Принцип действия тестера оптического при измерении оптической мощности основан на преобразовании излучения фотоприемником в электрический сигнал. Измерение оптической мощности производится на диапазоне волн (0,85+0,1) мкм в ваттах. При измерении в ваттах электрический сигнал фотоприемника усиливается входным усилителем, затем преобразуется аналого-цифровым преобразователем и индицируется цифровым табло тестера оптического.
Предложенная конструкция установки позволяет исследовать и настраивать ВОДД отражательного типа (определение работоспособности, оптимальных конструктивных параметров ВОДД). Кроме того, данная установка проста, надежна, не требует сложных технологических, юстировочных и измерительных операций при изготовлении оптической части.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.
2. Мещеряков В.А., Мурашкина Т.И.,Мурашкина Е.А. Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для летательных аппаратов //Датчики и системы. - 2001.- № 9. - С. 14 - 18.
