CC BY
78
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Здесь s = Ps / (Ps + P0) < 1 - контраст выходного сигнала ВОГ, определяемый как отношение полезной компоненты выходной мощности Ps к полной мощности света, причем Р0 - это мощность фоновой засветки на фотоприемнике. Отметим, что контраст может быть записан как отношение соответствующих компонент напряжения на выходе фотоприемника s = U2 / (U2 + U0), где полезная компонента U2 соответствует максимально возможному модуляционному сигналу (ее нужно измерять при девиации фазы, увеличенной до величины большей л). Первое слагаемое соответствует дробовому шуму света, второе - избыточному шуму интенсивности широкополосного источника, третье - тепловому шуму нагрузочного резистора R фотодиода, четвертое - дробовому шуму темнового тока id фотодиода. Остальные величины в формуле имеют следующий смысл: q - квантовая чувствительность фотоприемника, Л0(фт) и -/ДфД - значения функций Бесселя первого рода, фт - девиация дифференциальной фазы встречных волн в контуре ВОГ, D и L - диаметр и длина волокна чувствительного контура, Х0 - средняя длина волны спектра излучения, c - скорость света в вакууме. Коэффициент Сп - коэффициент случайных блужданий (RWC или ARW в англоязычной литературе) используется для характеристики пороговой чувствительности ВОГ, ограниченной белым шумом. Он имеет размерность (рад/с) /(Гц)1/2 или град/(час)1/2.
Исследования, выполненные в ряде лабораторий и фирм, в том числе работы авторов, показывают, что эрбиевые волоконные источники излучения соответствуют требованиям, предъявляемым к волоконно-оптическим гироскопам с точки зрения получения высоких точностных характеристик в жестких условиях эксплуатации. Что касается длительной эксплуатации в усло-
виях радиации при космическом базировании, то ВОГ с эрбиевыми источниками являются наиболее приемлемыми для этой цели. Сравнение характеристик эрбиевых волоконных источников с другими типами, прежде всего с хорошо отработанными суперлюминесцентными полупроводниковыми диодами, показывает, что для ВОГ наивысшего класса точности необходимо применять именно эрбиевые волоконные источники вследствие таких достоинств, как высокая мощность в волокне и температурная стабильность спектра излучения. Вместе с тем, при разработке ВОГ меньшей точности применение эрбиевого волоконного источника позволяет упростить оптическую и электронную схему прибора.
Библиографический список
1. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах. Т. 1 (кн. 1) / Под ред. Ю.Н. Коптева; Е.Е. Багдатьева, А.В. Гориша и др. - М.: ИПРЖР, 1998. - 458 с.: ил.
2. Базаров, Е.Н. Электродинамика волоконно-оптических световодов: монография / Е.Н. Базаров, В.Д. Бурков, А.Т. Шатров. - М.: МГУЛ, 2004.
3. Поляризационные характеристики суперфлуоресцентного волоконного источника излучения на основе волокна, легированного эрбием / Э.И. Алексеев, Е.Н. Базаров, Г. А. Герасимов // Письма в журнал технической физики. - Т. 21. - Вып. 5. - 1995.
4. Влияние дихроизма фотоприемника на сдвиг нуля волоконно-оптического гироскопа / Э.И. Алексеев, Е.Н. Базаров, Г. А. Герасимов // Письма в журнал технической физики. - 1995. - Т 21. - Вып. 19. - С. 21-26.
5. Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) с волоконным источником излучения на длину волны 1,54 мкм /
Э.И. Алексеев, Е.Н. Базаров, В.П. Гапонцев // Письма в журнал технической физики. - 1994. - Т. 20. - Вып. 2. - С. 30-35.
6. Vali V, Shorthlll R.W.. Fiber ring Interferometer. Appl. Opt., 1976, v.15, N 5, pp. 1099-1100.
7. Wysotski P.F., Digonnet M.J.F., Kim B.Y, Shaw H.J. Characteristics of Erbium-Doped Superfluorescent Fiber Sources for Interferometric Sensor Applications. / J.of Lightwave Technology, 1994, Vol. 12, pp.550-567.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА
В.Д. БУРКОВ, проф. каф. проектирования и технологии пр-ва приборов МГУЛ, д-р техн. наук, Л.Н. КОЛОМИЕЦ, асп. каф. проектирования и технологии пр-ва приборов МГУЛ
Уменьшение влияния внешних факторов на результат измерения в датчиках, реализующих дифференциальное преобразование сигналов, объясняется тем, что изменение температуры, вибраций, влажности, параметров источников питания и т.п. вызывает в идентичных
звеньях одинаковые погрешности, которые исключаются при вычитании выходных сигналов преобразователей. Подобным же образом исключается (или снижается) влияние постоянной составляющей входной величины. Использование дифференциальных схем позволяет полу-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
13
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
чить на выходе сигнал, линейно зависящий от входного сигнала.
Обычно оба канала дифференциальной схемы делаются одинаковыми и находятся в одинаковых рабочих условиях. Известно техническое решение ВОПД отражательного типа, отвечающее данному условию, но трудно реализуемое практически. Сложность практической реализации заключается в том, что необходимо снимать оболочку с оптических волокон (ОВ) и выполнять очень точную юстировку ОВ двух измерительных каналов относительно друг друга. Кроме того, данное техническое решение не исключает температурную погрешность, обусловленную изменением геометрических параметров мембраны и упругих свойств материала, из которого она изготовлена, при изменении температуры окружающей среды.
Предлагается новый простой способ дифференциального преобразования сигналов в ВОПД отражательного типа, когда оба канала дифференциальной схемы находятся в одинаковых рабочих условиях, воспринимают одну и ту же измеряемую физическую величину (давление), с помощью одного и того же чувствительного элемента (мембраны) преобразуют ее в изменение интенсивности оптического сигнала от одного и того же источника излучения, но при этом ПИК реагирует на перпендикулярное перемещение центральной части зеркальной поверхности мембраны, а ВИК - на угловое перемещение периферийной части зеркальной поверхности той же мембраны [1].
На рис. 1 приведена упрощенная конструктивная схема одного из вариантов волоконно-оптического датчика давления (ВОДД), в котором базовым элементом является дифференциальный ВОПД отражательного типа, реализующий новый способ [1].
Рис. 1. Упрощенная конструктивная схема одного из вариантов дифференциального ВОДД отражательного типа
Датчик содержит первый жгут подводящих 1 (ПОВ) и отводящих 2 (ООВ) ОВ, общий торец которых закреплен во втулке 3 на расстоянии Х0 от отражающей поверхности мембраны 4, составляющей одно целое со штуцером 5. Начальный зазор между мембраной и общим торцом рабочего жгута ОВ выставляется с помощью прокладки 6. Втулка 3 жестко закреплена посредством прокладки 6 и корпуса 7 относительно штуцера 5. Во втулке 3 на расстоянии Х0 от отражающей поверхности мембраны 4 жестко закреплен общий торец второго жгута подводящих 8 и отводящих 9 оптических волокон. Оптические оси ПОВ и ООВ второго жгута расположены относительно оптических осей ПОВ и ООВ первого жгута на расстоянии А соответственно.
Датчик работает следующим образом. Световой поток Ф0 от источника излучения ИИ 10 по ПОВ 1 и 8 направляется к отражающей поверхности мембраны 4. Под действием давления мембрана 4 прогибается. Интенсивность потоков, отраженных от нее и поступающих в ООВ 2 и 9, изменяется.
В ПИК (в зоне первого жгута волокон) происходят следующие преобразования (рис. 1). Лучи света от ПОВ1 проходят путь Х. до зеркала и путь Х. в обратном направлении до ООВ2 под апертурным углом ®NA к оптической оси ОВ. При этом в плоскости ООВ2 наблюдается освещенная кольцевая зона.
Так как площадь светового пятна ^ОТР1 на отражающей поверхности мембраны ничтожно мала в сравнении с площадью мембраны, то можно с достаточной точностью считать, что под действием давления Р центральная часть поверхности мембраны перемещается перпендикулярно оптической оси ВОПД.
Таким образом, под действием измеряемого давления Р мембрана 4 прогибается на величину W и ее центральная часть перемещается в направлении Х. При этом изменяется положение кольцевой зоны относительно ООВ 2 в направлении -Zv которое ведет к изменению площади У приемного торца ООВ 2, освещенной отраженным от зеркала световым потоком.
Таким образом, происходят следующие преобразования:
Р ^ W^ X^ - Z ^ ф ^ Ф(Р).
В ВИК (в зоне второго жгута волокон) происходят следующие преобразования (рис. 2). Лучи света от ПОВ8 проходят путь Х до зеркала
14
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
и путь Х. в обратном направлении до ООВ 9 под апертурным углом ©NA к оптической оси ОВ. При этом в плоскости ООВ 9 наблюдается освещенная кольцевая зона.
Под действием измеряемого давления Р периферийная часть мембраны 4, расположенная на расстоянии приблизительно равном А относительно оси мембраны, прогибается на угол а . При этом изменяется положение освещенной кольцевой зоны относительно ООВ9 в направлении +Z2, которое ведет к изменению площади S^ приемного торца ООВ 8, освещенной отраженным от зеркала световым потоком.
Так как прогиб центральной части мембраны W небольшой и, соответственно, угол а ничтожно мал, то можно с достаточной точностью считать, что а « W/ R.
Таким образом, происходят следующие преобразования:
Р ^ W^ а ^ +Z ^ 0 ^ Ф(Р).
ГГ 2 Тф2 2
При изменении температуры окружающей или измеряемой среды изменяются геометрические параметры мембраны: толщина h и радиус R, 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, а также исключения влияния на точность измерения таких факторов, как неинформативные изгибы ВОК, изменение мощности излучения ИИ, чувствительности ПИ, целесообразно сформировать отношение разности сигналов к их сумме, то есть
Ц(Р) - ^(Р)И А(Р) + 12(Р)] ~ (Ф! - Ф2)/(Ф: + Ф2).
Впервые реализована дифференциальная схема в волоконно-оптическом преобразователе давления (ВОПД) отражательного типа.
В работе [2] предложен новый способ дифференциального преобразования сигналов ВОПД отражательного типа, который впервые позволил исключить влияние на результат измерения геометрических параметров и упругих свойств материала мембраны.
Дифференциальное преобразование сигналов в ВОПД отражательного типа, конструктивная схема которого рассмотрена в работе [2], реализуется в том случае, когда расстояние, которое проходят отраженные лучи первого измерительного канала в направлении -Z, приблизительно равно по абсолютной величине расстоянию,
которое проходят отраженные лучи второго измерительного канала в направлении +Z (рис. 1). При этом отраженные лучи должны перемещаться в противоположных направлениях:
|-ZJ = 1+^ Ш
где Z и Z2 - текущие значения перемещений отраженных лучей в направлениях Z1 и Z2 соответственно.
Для определения расстояния А между оптическими волокнами (ОВ) двух измерительных каналов ВОПД необходимо найти значения Z1 и Z2 из геометрических построений, приведенных на рисунках 2 и 3.
Рассмотрим равносторонние AOPN и
AOFL
\pk\ _ on
\FK 1 _ |OL|
(2)
IPK _ Xo;
IFK'\_ Xo - W;
lONl _ doB- r;
JOLl _ dOB - r - v
(3)
где x0 - начальное расстояние между зеркальной поверхностью мембраны и торцом ОВ; W- прогиб центра мембраны; daR - диаметр ОВ; rC - радиус сердцевины ОВ.
Подставляя выражения (3) в формулу (2), получим равенство
W(d -r )
V OB c /
(4)
Выразим нужные для расчета углы через
Zu _
x
0
а и ©,r..
NA
Рассмотрим ARBA и ARBS. Так как АВ А BS и AR А RS, RB - общая сторона, то в прямоугольном треугольнике A RAS: ARAS = 90 - а; ABSR = а; /BAB = а. Так как ARBS = 90 + ©NA, то ABRS = 90 - - а.
NA
Рассмотрим AO'RQ. /O'RQ = 5, где 5 - угол между перпендикуляром к прогнутой мембране и падающим на мембрану лучом
5 = 180 - (90 - ©na) - (90 - а) = ©ш + а.
Рассмотрим ARQM. /RQM = у, где у - угол между перпендикуляром к прогнутой мембране и горизонтальной плоскостью у = 180 - (90 - а) = 90 + а.
Находим угол у между отраженным лучом и горизонтальной плоскостью
у = 180 - 5 - у = 90 - ©ш - 2а.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
15
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рис. 2. Упрощенная конструктивная схема дифференциального ВОПД отражательного типа
Рис. 3. Геометрические построения к определению конструктивных параметров дифференциального волоконно-оптического преобразователя давления отражательного типа
Рассмотрим AUEM. ZUEM = X, где X -угол между отраженными от мембраны лучами в крайних ее положениях;
X = 180 - (90 + ©„а) - Y = 2а.
Рассмотрим AORQ. ZORQ - 25;
ZRO' M = 90 - ©; ZO RQ = Y.
Io'rI \O'M\
J—1 = sin 25 (5)
sin y
|O M| = 2Ь + ^2Г (6)
где b - расстояние от края сердцевины оптичес-
кого волокна до основания перпендикуляра, опущенного на мембрану в отсутствие ее прогиба.
Подставляя значения углов 5 и у и равенство (6) в формулу (5) и учитывая, что b = x0tg©NA, получаем зависимость
= \RO'\ 51П2 (©NA +а) C0S (©NA + 2а)
Но
2 x0tg ©
NA
(7)
|RO'| = |OB| - |RB|. Находим |O'B|
cos © NA = -----
NA \o'b\
|o'b| =
(8)
(9)
cos ©m
NA
Для дальнейших рассуждений удобно расстояние BS от защемления мембраны до точки падения луча на мембрану обозначить через т. m = R - A - b - rc или m = R - A - (x0tg©NA + r), (10)
где А - расстояние между оптическими осями ПОВ первого и второго измерительных каналов.
Находим |RB| из ARBS и AARB ■ | m sin а
lRBl = —7©-------Г (И)
C0S (©NA +а)
Окончательно с учетом выражения (10):
Н
sin а
-[R - A -(X0tg © NA + rc )] . (12)
c0s (©„A +а)
Подставив в формулу (11) выражения (15) и (12), получим
KI ”
cos ©,
sin а
c0s (©NA +а)
[R - A -(x0tg©na + r )] . (13)
x
x
0
16
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
