CC BY
58
УДК 681.785.64; 621.3.061; 621.316.31
Измерительная установка для исследований дифференциальных волоконно-оптических преобразователей углового перемещения
Юрова О.В. - аспирант,
Назарова И.Т. - аспирант,
Мурашкина Т.И. - д.т.н., профессор
кафедра «Приборостроение» ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» При финансовой поддержке Министерства образования и науки в виде гранта
Предложена новая конструкция установки для определения конструктивных параметров дифференциальных волоконно-оптических преобразователей угловых
перемещений отражательного типа.
Разработана измерительная установка для исследований дифференциальных волоконно-оптических преобразователей углового перемещения (ВОПУП) [1], упрощенная конструктивная схема которой приведена на рисунке 1.
3 - основание
4 - призма (шарнир)
5 - стойка
6 - наконечник
7 - винт-стойка
8 - гайка регулировочная
11 - двушкальный механизм
12 - втулка
13 - рабочий жгут ПОВ и ООВ
14 - кабель
15 - винт крепления наконечника
16 - корпус
Рисунок 1 - Установка для воспроизведения углового перемещения
Установка содержит жгут подводящих (ПОВ) и отводящих (ООВ) оптических волокон 13, рабочие концы 12 которого закреплены в наконечниках 4, фиксируемых винтами 15 в стойке 5 симметрично относительно металлической пластинки (МП) 1, имеющей
зеркально отполированные внешние поверхности. МП 1 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 х1 относительно основания 3, шарнир 4. Шарнир 4 выполнен из искусственного рубина в виде призмы и крепится в основание 3 клеем. Двушкальный механизм 11 установлен в крышке корпуса 16.
Конструкция установки обеспечивает воспроизведение угловых перемещений МП в диапазоне ±5 градусов в обе стороны от вертикального положения.
Ограничителем перемещения является расстояние х1.
x1=A1 sin а,
где А1 - 0,5 длины державки 2; а - максимальный угол отклонения, равный 5°.
При установке МП 1 в державку 2 необходимо обеспечить: 1 - строгую перпендикулярность их плоскостей; 2 - параллельность отражающих плоскостей МП и оси качания державки. Выполнение этих требований достигается перпендикулярностью осей оптических волокон и отражающих плоскостей МП 1. Для этого установка МП 1 в державку выполняется с помощью специально изготовленного приспособления -кондуктора. Чтобы обеспечить начальное расстояние, например х0=1,5 мм, необходимо установить с обеих сторон МП 1 однозначные меры в виде пластины номиналом 1,5 мм [1] 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 ВОПУП). Если значения сигналов на выходе будут минимальными, то начальное расстояние х0=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 её противоположного конца. В нулевом положении при отсутствии угла наклона МП 1 лучи света от ПОВ первого и второго измерительных каналов под апертурным углом 0na к оптической оси волокна проходят в прямом направлении путь х0 до отражающей плоскости МП и путь х0 в обратном направлении к ООВ первого и второго измерительных каналов соответственно, расположенным в рабочих жгутах 12 (см. рисунок 1). При этом в плоскости приемных торцов ООВ наблюдается освещенная кольцевая зона шириной h=rC, где rC - радиус сердцевины оптического волокна.
Подпружиненная державка с МП 1 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 ООВ первого и второго измерительных каналов после отражения зеркальными поверхностями МП 1. Кольцевые световые зоны преобразуются в эллипсоидные, которые смещаются относительно ООВ в направлении Z [1]. При этом изменяются площади приемных торцов ООВ, освещенные отраженными от зеркал световыми потоками. После чего происходит дальнейшее преобразование выходного оптического сигнала в токовый сигнал фотодиода.
На рисунке 2 представлена схема экспериментальных исследований. Установка для экспериментальных исследований содержит оптический тестер, волоконно-оптический кабель, установку для воспроизведения углового перемещения (УВУП). В схеме
оптического тестера предусмотрены два приемника излучения (фотодиода) для обеспечения дифференциальной схемы.
УВУП - установка для воспроизведения ВОК - волоконно-оптический кабель;
углового перемещения;
ПОВ1, ПОВ2 - подводящие оптические волокна; ФД - фотодиод;
ООВ1, ООВ2 - отводящие оптические волокна; СД - светодиод
Рисунок 2 - Схема экспериментальных исследований
Оптический тестер содержит источник излучения (инфракрасный светодиод типа 3Л107Б) с регулируемой мощностью излучения, два фотоприемных канала (фотодиоды с усилителями), блок обработки информации (программируемый микроконтроллер), цифровой индикатор и блок питания. 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. Используемые фотодиоды типа 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 типа Р1С16Б873/8Р. В соответствии с программой микроконтроллер обеспечивает три режима обработки информации:
- в первом режиме на цифровом индикаторе отображаются цифровые значения сигналов обоих каналов (I1 и I2);
- во втором режиме отображается отношение этих сигналов (I1/ I 2);
- в третьем режиме отображается результат вычислений по формуле (I 1- I 2)/( I1 + I 2).
На передней панели тестера расположены 3 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.
Микроконтроллер при необходимости позволяет 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.
Заключение. Предложенная конструкция установки позволяет исследовать дифференциальные ВОПУП, позволяет судить о работоспособности преобразователя, определить его конструктивные параметры, оценить качество изготовления элементов преобразователя: отражающих поверхностей МП, полировки торцов оптических волокон и т.д.
Литература
1 Дифференциальный волоконно-оптический преобразователь угловых перемещений. Елена Бадеева, Антон Щевелев, Ольга Юрова, Юрий Макаров, Анатолий Гориш // Современная электроника № 8 2010
2 Мурашкина Т. И. Теория, расчет и проектирование волоконно-оптических измерительных приборов и систем / Учебное пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - 133 с.
