CC BY
42
Теорія і практика радіовимірювань
цювати з малими сигналами; розробка метрологічного забезпечення вимірювальних пристроїв на основі магніторезистивних перетворювачів.
Література
1. Витяганець А.І., Вунтесмері В.С. Засоби вимірювання активної потужності на низьких та середніх частотах "IN SITU" // Вісник НТУУ "КПІ". Сер. Радіотехніка. Радіоапаратобудування. - 2007. - Вип. 34. - С. 112-118.
2. Vountesmeri V.S., Smolianinov V.G., Vytiaganets A.I. Magnetoresistive measuring transformer of active power // Proc. 18th Intern. Crimean Conf. "Microwave and Telecommunication Technology" (CriMiCo'2008). - Sevastopol: Veber. - 2008. - P. 688-689. -ISBN: 978-966-335-171-1.
3. Фишер-Криппс А.С. Интерфейсы измерительных систем. - М.: Издательский Дом «Технологии», 2006. - 336 с. - ISBN: 5-94833-017-6.
4. Кузьминов А.Ю. Интерфейс RS232. Связь между компьютером и микроконтроллером. - М.: Радио и связь, 2004. - 168 с. - ISBN: 5-256-01715-2.
5. Захаров И.П. Обработка результатов измерений: Учеб. пособие. - Харьков: Изд-во НУЖД. - 2002. - 126 с. - ISBN: 966-610-064-9.
Витяганець А.І. Інтерфейс магніторезистивного перетворювача активної потужності. Розглянуто апаратний і програмний інтерфейси магніторезистивного вимірювального перетворювача активної потужності, проаналізовано результати статистичної обробки багаторазового вимірювання активної потужності вимірювальним перетворювачем.
Ключові слова: вимірювання потужності, магніторезистивний перетворювач________
Вытяганец А.И. Интерфейс магниторезистивного преобразователя активной мощности. Рассмотрено аппаратный и программный интерфейсы магниторезистивного преобразователя активной мощности, проанализированы результаты статистической обработки многоразового измерения активной мощности.
Ключевые слова: измерение мощности, магниторезистивный преобразователь________
Vytiaganets A.I. Interface of magnetoresistive converter of active power. The vehicle and programmatic interfaces of magnetoresistive converter of active power are considered, the results of statistical treatment of the multiple measuring of active-power are analysed.
Key words: measuring of active power, magnetoresistive converter______________
УДК 681.586.5; 531.768
ТРИКОМПОНЕНТНИЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР. ПРИНЦИП ДІЇ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНОГО
ДАВАЧА
Дубіковський А. О., Дем’яненко П. О.
Конструктивна схема запропонованого трикомпонентного цифрового BOA (ЦВОА) представлена на рис 1. Вона являє собою систему, яка складається з інертної маси 6, що підвішена на кінці кварцового волоконно-оптичного світло-вода 3, консольно закріпленого іншим кінцем на двигуні 5 приладу. Оптичне волокно є передавачем потоку світла, джерелом - світлодіод 2, жорстко скріплений з ротором двигуна 5. Приймачем сигналу є фотоприймач 4 круглої форми, роз-
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№39
121
Теорія і практика радіовимірювань
ділений на чотири сектори.
Рис. 1. Конструктивна схема BOA
2
Корпус 1 може бути виконаний з матеріалу (латуні), який забезпечує жорстку фіксацію елементів конструкції. Оптичне волокно є стандартним типу "кварц-кварц" у поліакрілатному захисному покритті із загальним діаметром 200 - 300 мкм. Фотоприймач 4 є фотодіодом типу ФДК. Інертна маса може бути виконана з, наприклад, електротехнічної сталі. Будемо вважати, що кварцовий волоконно-оптичний світловод фізичного маятника ВОА є однорідним
стрижнем довжиною l і вагою mg, який закріплений за допомогою шарніру в точці O, рівномірно обертається навколо осі OZ, що проходить через цю точку з кутовою швидкістю о. Через те, що кварцовий світловод обертається навколо осі OZ власного обертанні, то під дією сили інерції він буде відхилятися від осі OZ на кут . Від кута залежить роздільна здатність волоконно-оптичного давача (ВОД). Щоб скласти з вертикаллю заданий кут , кутова швидкість, з якою повинен обертатися стрижень, повинна визначатися за формулою:
Звідки видно, що відхилення стрижня від вертикалі, починається лише коли:
Величина радіуса R кола, що описує фізичний маятник ВОД, з одного боку визначається довжиною стрижня l і заданим кутом , а з іншого, визначає роздільну здатність чутливого елемента приладу.
Принцип дії акселерометра наступний. Від світлодіода 2 сигнал передається на фотоприймач 4. При включенні акселерометра під дією обертання валу двигуна кінець консолі здійснює кругові рухи у площині, яка паралельна площадкам фотоприймача (див. рис. 2).
Кожен раз при проходженні кінця консолі над будь-якою лінією розділу фотоприймальних площадок 4 (чотири рази за оберт маятника) у електронному блоці формуються короткі електричні імпульси.
122
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№39
Теорія і практика радіовимірювань
Z
Вочевидь, при відсутності дії на маятник 3 прискорення, проміжки часу перебування маятника по обидві сторони від кожної з ліній розділу приймальних площадок 4 будуть однаковими, відповідно, однаковими будуть і проміжки часу між відповідними цим лініям імпульсами, сформованими у електронному блоці 7. Таким чином, електронний блок буде формувати часову послідовність коротких електричних імпульсів, яка складається з двох "X"- та "Y"-послідовностей, кожна з яких відповідає "своїй" лінії розділу фотоприйма-льних площадок. [2]
При дії на акселерометр прискорення ах або су,, вектор якого паралельний площині приймального вікна фотоприймача, стан рівноваги маятника зміщується (від початкового) на величину Ах або Ay відповідно. Величина цього зміщення визначається величинами діючого прискорення, інертною масою 6 та жорсткістю консолі. При цьому проміжки часу перебування маятника по обидві сторони від кожної з ліній розділу фотоприймальних площадок Т' Т" не однакові. Звідси, кожна з двох послідовностей S', S" імпульсів, які формуються у електронному блоці, матимуть свою довжину: одна - більшу, друга - меншу. Сумарна довжина послідовності імпульсів буде незмінною як і період обертання Т0. Таким чином, різниці цих проміжків часу АТХ, ATY Є мірою величин проекцій на осі чутливості X, Y діючого на акселерометр прискорення. [3]. При дії на акселерометр прискорення az, вектор якого паралельний осі чутливості Z, проміжки часу Т, Т" матимуть однакову довжину, але при цьому зміниться період обертання маятника Т, який на величину ATZ відрізняється від величини Т0 - періоду обертання маятника при az = 0. Величина
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№39
123
Теорія і практика радіовимірювань
Т0 служить точкою відліку при вимірюванні величини прискорення az [1]. При відсутності прискорення проміжки часу Т0', Т0', які формують "X"- та "Y"-послідовності, будуть однаковими та у сумі складатимуть Т0:
Т0
(1)
З параметрами модулятора величина Т0 зв'язана наступним чином [1]:
То
ml3
(2)
де m - величина інерційної маси маятника, l - його довжина, Е - модуль Юнга матеріалу підвісу, I - момент інерції поперечного перерізу підвісу. При наявності складової прискорення az отримаємо:
_ Т0
2 Е1 + £z L . а Л
m І 3 + І \ 1 + 4тг 21
3)
4)
_ _і _и __і __и
де + TY, при цьому різниці проміжків часу Т', Т”:
АТХ = ТХ + Тх;
А Ту = Ту + Ту)
дъ = (T'x+T'x) - (т*0+t;0) = +ty) - (n,,+t;0).
З іншого боку, зміщення положення рівноваги у координатах X, Y, Z. матиме вигляд [1]:
' ' ~ кЬТх
Ах = / sin 0О
ЛІ
Ay = / sin 0О
N
т
-sin-
Т0 2 Т
Т
о
ттАГ,
— sin- m
Гп 2 Т
у
5)
Az = /
,ЛІ
Т 9 і — — S І П2 00 — С О S 0 о
То
Таким чином, рівняння вимірювання, які використовуються у математичній моделі ЦВОА будуть такими:
124
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№39
Теорія і практика радіовимірювань
ґ
Л Тх
2 Vr02 + Т0&Т2 д ----—— -----Ах
тт I sin 0О
ТТ I sin 0О 2Т0 cos 0О
I sin2 0О ^
6)
V
Розглянемо вплив природних дестабілізуючих факторів на роботу ЦВОА, побудованому по наведеній схемі [4]. У першу чергу до них відносяться температурні ефекти, які можуть впливати на параметри маятникового чутливого елементу, а також нестабільність періоду обертання маятника як реальної автоколивальної системи з кінцевою величиною добротності.
Найбільш суттєвий вплив на точність вимірювань акселерометра може викликати температурна залежність параметрів маятника, у першу чергу зміна довжини маятника із-за теплового видовження його підвісу. Оцінимо величину цього фактора. З виразу для періоду маятника (2) запишемо вираз для оцінки температурної похибки періоду обертання маятника:
де а і і аЕ - температурні коефіцієнти розширення кварцу та модуля Юнга, відповідно; Д © - робочий діапазон температур ЦВОА. Підстановка в (7) числових значень (аі = аЕ = 1 ■ 1 0 "" 7 К "" 1; Д © = 1 0 0 К) дає б Т = 1 0 "" 5.
Така величина похибки може перекреслити наведені вище оцінки характеристик чутливості та точності ЦВОА. Отже для знешкодження даного фактору необхідно ввести у алгоритм обробки результатів вимірювання ЦВОА підпрограму відповідного температурного коректування.
Другим найбільш суттєвим фактором, що впливає на результати вимірювань, є нестабільність періоду обертання маятника. Для подолання даної проблеми необхідно ввести усереднення результатів вимірювань за 10-15 періодів обертання маятника.
Для опису руху BOA застосовувались два методи:
- рівняння Лагранжа-Максвелла [5];
- рівняння Ейлера [6].
1. Демьяненко П.А. Точность измерений посредством волоконно-оптических датчиков (проблемы и пути их решения). / Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1995 - Вып.29, с.88-93.
2. Демьяненко П.А., Зиньковский Ю.Ф., Прокофьев М.И. Прецизионный цифровой акселерометр с волоконно-оптическим датчиком. II Радиоэлектроника. Изв. высш.
Д0
7)
Література
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№39
125
Теорія і практика радіовимірювань
уч. заведений. - 1997. - Т. 40. - № 1. - С. 39-47.
3. Демьяненко П.А.,Зиньковский Ю.Ф., Прокофьев М.И. Обработка сигналов в измерителях с импульсными волоконно-оптическими датчиками. // Радиоэлектроника. Изв. высш. уч. заведений -1998. - Т.41. - №8. - С.54-60.
4. Демьяненко П.А., Зиньковский Ю.Ф., Прокофьев М.И. Учет некоторьгх ограничений пороговой чувствительности и точности измерений в импульсньк волоконнооптических акселерометрах. // Радиоэлектроника. Известия высш. учеб. ний - 1999. - Т.42 - №1. С.54-60.
5. Левитский Н.И. Колебания в механизмах: Учеб. пособие для втузов.- М.: Наука. - 1988. - 336 с.
Дубіковський А.О. Конструктивна схема трикомпонентного волоконно-оптичного акселерометра. Принцип дії волоконно-оптичного давача. Приведена конструкція робочої моделі цифрового волоконно-оптичного акселерометра та базові рівняння та параметри, що описують режими роботи пристрою.
Ключові слова: Волоконно-оптичний давач, конструктивна схема,базові рівняння та
параметри._____________________________________________________________________
Дубиковский А.А. Конструктивная схема трехкомпонентного волоконнооптического акселерометра. Принцип работы волоконно-оптического датчика.
Приведена конструкция рабочей модели цифрового волоконно-оптического акселерометра и базовые уравнения и параметры, описывающие режимы работы устройства. Ключевые слова: Волоконно-оптический датчик, конструктивная схема, базовые уравнения и параметры.____________________________________________________________
Dubikovsky A.A. Structural diagram of three fiber-optical accelerometer. The operating principle of the fiber-optical gage. A design of a working model of a digital fiber-optical accelerometer and the basic equations as well as parameters describing the modes of the device are given.
Key words: Fiber-optical gage, construction arrangement, basic equations and conditions.
126
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№39
