CC BY
93
Щевелев А.С., Базыкин С.Н., Мурашкина Т.И.
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА УСКОРЕНИЙ
При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки
Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров ускорений и ударов. Исследования колебательных процессов представляют большой интерес для всех отраслей народного хозяйства - в полупроводниковой электронике (контроль вибрации установок для выращивания кристаллов), в авиастроении (ускорения летательных аппаратов), в автомобильной промышленности (контроль ускорения всего автомобиля в целом при движении и при регистрации ДТП), на в энергетике (контроль вибрации лопаток газовых турбин), в авиастроении (контроль биений турбин) и т.д. Тщательно контролируются вращающиеся или перемещающиеся в различных направлениях с большой скоростью узлы и механизмы крупных сооружений и агрегатов, такие как: электрогенераторы тепла и гидростанции, гребные винты кораблей, авиационные и ракетные двигатели и тому подобное, являющиеся источником возникновения интенсивных периодических и непериодических вибрационных процессов. Особую опасность представляют известные умножения колебаний, возникающие на резонансных частотах упругих конструкций. Возникающие при ускорениях и ударах инерционные силы могут вызвать напряжения, превышающие предел прочности конструкции, или относительные перемещения деталей в недопустимых пределах. Из-за вибраций значительно снижается срок службы оборудования, ухудшается качество его работы. Данный список можно продолжать достаточно долго, что говорит о необходимости создания высокоточных датчиков ускорения.
На сегодняшний день приоритетным направлением, в области развития измерительной техники, является создание волоконно-оптических датчиков (ВОД), т.к. они нечувствительны к внешним электромагнитным полям, имеют малые габариты и массу, простую конструкцию, отличаются высокой надежностью, стойкостью к повышенным температурам, механическим ударам, вибрациям, потребляют малое количество энергии, гарантирует безопасную работу ВОД в потенциально пожаро- и взрывоопасных условиях, например, при измерении давления в камерах сгорания реактивных двигателей. Применение ВОД в этом случае значительно снижает уровень вибрационных нагрузок на электронную схему средства измерения, так как с помощью волоконно-оптического кабеля ее можно удалить на значительное расстояние от источника вибрации и разместить в амортизированном корпусе.
Ранее были разработаны волоконно-оптические датчики давления отражательного типа, сигнализаторы уровня жидкости и вибродатчик [1-3]. По результатам анализа данных конструкций и проведенных расчетов предложено конструктивное решение дифференциального волоконно-оптического датчика ускорений (ВОДУ). [4]
Дифференциальный ВОДУ включает в себя волоконно-оптический преобразователь перемещений (ВОПП), состоящий из цилиндрической линзы 8, закреплен ной на у п руг1 ом подвесе 7, выполненном в виде плоской пружины, а также одного подводящего 10 (ПОВ) и двух отводящих оптических волокон 11 (ООВ) (рисунок 1) .
2 - корпус; 3 - крышка; 4 - внутренняя крышка; 5 - основание; 6 - нижнее основание; 7 - упру-
гий подвес; 8 - цилиндрическая линза; 9 - втулка; 10 - ПОВ; 11 - ООВ
Рисунок 1 - Конструкция дифференциального ВОДУ
Основание 6 имеет цилиндрическую форму. Упругий подвес 7 крепится в основании (5 при помощи винта.
Оптические волокна укладываются в выемку между основанием 6 и корпусом 1 после установки основания 6 13 корпус 1. Дл я т ого чтобы оптические волокна не сломались, в месте максимального изгиба они помешены в две фторопластовые трубки, вклеенные во втулку 8. Полость между основанием 6 и корпусом 1 заливается герметикой, тем самым обеспечивается неподвижность волокон.
Для того чтобы введение линзы 8 в зону измерения не повлекло за собой увеличения габаритов ВОПП, используется цилиндрическая линза.
В качестве упругого подвеса используется плоская пружина 7, обладающая более высокой чувствительностью к нагрузкам по сравнению с упругими подвесами других типов. Так как дифференциальный ВОДУ работает при переменных напряжениях, в широком температурном диапазоне с циклическим изменением температуры окружающей среды, то упругий подвес выполнен из стали 3 6НХТЮ, наиболее полно удовлетворяющей этим и ряду других условий. ПОВ, линза, ООВ расположены на одной оптической оси. Для юстировки линзы по оси 2 относительно оптических волокон используются кольцевые прокладки (на рисунке не показаны) , которые устанавливаются в основание упругого подвеса 7. Прокладки выполнены из стали 36НХТЮ и имеют толщину от 0,1 до 1 мм.
Расстояния 1 от ПОВ до линзы и 1-1 - от линзы до ООВ для проектируемой конструкции были выбраны из условия наиболее эффективного ввода оптического излучения в ООВ [1]. Для проектируе-
А- А
I
мого ВОДУ, работающего в диапазоне от 0 до 10 д, были выбраны следующие оптические и конструктивные параметры: 1=1,41 мм, 1і=4,51 мм, диаметр линзы 1,5 мм, диаметр сердцевины оптических
волокон 0,2 мм, материал линзы и волокон - кварц с показателем преломления 1,47.
Для заданного диапазона рабочих частот от 50 до 100 Гц была выбрана пружина с шириной 3 мм, толщиной 0,25 мм, длиной 7,7 5 мм.
Структурная _схема_ дифференциального ВОВД представлена на рисунке 2.
ВОДУ
Ф{х(
ВОК
ИМ
— ОВ1
ФЩ
ПОВ —
— ОВ2
Ф2 '(X)
П/П
IiX)
ИИ
-JL
ПИ2 1 I((x)
БГИ
f(a)
ИИ - источник излучения; У, У2 - усилители сигнала, ПОВ - подводящее оптическое волокно; БПИ -блок преобразования информации; ИМ - инерционная масса (цилиндрическая линза); ВОК - волоконнооптический кабель; ООВ1, ООВ2 - отводящие оптические волокна первого и второго каналов; ВОДУ -
волоконно-оптический датчик ускорений ПИ, ПИ2 - приемники излучения; Д - делитель
Рисунок 2 - Структурная схема волоконно-оптического датчика ускорений
Дифференциальный ВОДУ работает следующим образом. Световой поток Фо от ИИ по ПОВ подается в зону измерения. Под действием ускорения происходит перемещение цилиндрической линзы в направлении оси X, закрепленной на упругом подвесе в корпусе датчика. Перемещение линзы вызывает изменение интенсивности светового потока. Световые потоки Фх (х) и Ф2 (х), прошедшие через линзу, по ООВ первого и второго измерительных каналов соответственно поступают на приемники излучения ПИ1 и ПИ2
первого и второго измерительных каналов соответственно.
Приемники излучения ПИ1 и ПИ2 преобразуют оптические сигналы Ф х(х) и Ф 2(х) в электрические Хх(х) и Т2 (х) соответственно. Данные сигналы поступают на вход БПИ, где происходит операция деления сигналов Тх (х) и Т2 (х). Это позволит компенсировать изменение мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон.
В конструкции данного датчика используется дифференциальная схема управления световым потоком. Это сделано с целью:
- увеличения чувствительности преобразования за счет суммирования нескольких световых потоков (соответственно количеству отводящих оптических волокон)
- получения линейной функции преобразования
- снижения погрешностей, обусловленных следующими причинами:
X) изменением мощности источника излучения, чувствительности приемников излучения при изменении температуры окружающей среды;
2) неинформативными изгибами оптического кабеля;
3) зависимостью механических свойств упругого подвеса от температуры окружающей среды.
4) изгибами оптических волокон под воздействием внешних дестабилизирующих факторов.
Разработанную конструкцию можно применять для разных диапазонов ускорений и частот, варьируя
рабочей длиной упругого подвеса.
Заключение
Датчик имеет простую, надежную конструкцию, не требует сложных технологических, юстировочных и измерительных операций при изготовлении оптической части, имеет дешевую компонентную базу - многомодовые оптические волокна. Соответственно, предлагаемое техническое решение не ведет к лишним материальным затратам.
ЛИТЕРАТУРА
X. Бадеева Е.А., Гориш А.В., Котов А.Н., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. - М.: МГУЛ, 2004. -246 с.
2. Серебряков Д.И., Кривулин Н.П. Моделирование распределения светового потока в оптической
системе волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости: Монография. - Пенза.: Изд-во Пенз.
гос. ун-та, 2007.
3. Зуев, В. Д. Методика определения конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя с управляющим элементом в виде шаровой линзы / В. Д. Зуев, Н. П. Кривулин, В. С. Волков, Т. И. Мурашкина // Авиакосмическое приборостроение. - 2008. - № 10. - С. 27-2 9.
4. 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.
Ф
Ф
Д
