Установка для проверкиволоконно-оптического датчика давления отражательного типа Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Крупкина Т.Ю., Мурашкина Т.И., Кривулин Н.П. УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕРКИВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА

Предложена новая конструкция установки для проверки (исследования характеристик) волоконнооптического датчика давления отражательного типа. Данная установка проста, надежна, не требует сложных технологических, юстировочных и измерительных операций при из

В настоящее время достаточно широко распространены волоконно-оптические датчики давления отражательного типа. Волоконно-оптический датчик давления отражательного типа содержит волоконнооптический преобразователь давления (ВОПД) и согласующее устройство (СУ). Посредством электрического разъема датчик соединяется с блоком преобразования информации (БПИ).

Принцип действия дифференциального волоконно-оптического датчика давления (ВОДД) отражательного типа следующий (рисунок 1). Отраженный световой поток Ф01 (Р) = Ф1 (Х) , изменяющийся в соответствии с

законом изменения контролируемого давления Р, по отводящим оптическим волокнам (ООВ1) поступает на рабочий приемник излучения ПИ1, где формируется электрический сигнал <Л(Р). Отраженный световой поток Ф02 (Р) = Ф2 (а), изменяющийся в соответствии с законом изменения контролируемого давления Р, по

отводящему оптическому волокну (ООВ2) поступает на рабочий приемник излучения ПИ2, где формируется электрический сигнал ^ (Р) .

Рисунок 1 - Принцип действия дифференциального ВОДД отражательного типа

При изменении температуры окружающей или измеряемой среды изменяются геометрические параметры мембраны: толщина Ъ и радиус К, 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 <Л( Р) и ^( Р) к их сумме: <Л( Р)- ^( Р)/ <Л( Р) +^( Р) . 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.

На рисунке 2 приведена упрощённая конструкция ВОДД отражательного типа. Датчик содержит рабочий жгут подводящих 1 и отводящих 2 оптических волокон, общий торец которых закреплен во втулке 3 на расстоянии Хо от отражающей поверхности мембраны 4, выполненной за одно целое со штуцером 5 (возможно изготовление отдельно мембраны и отдельно корпуса/штуцера). Начальный зазор между мембраной и общим торцом рабочего жгута оптических волокон выставляется с помощью прокладки 6. Втулка 3 жестко закреплена посредством прокладки 6 и корпуса 7 относительно штуцера 5. Во втулке 3 на расстоянии Хо от отражающей поверхности мембраны 4, жестко закреплен общий торец дополнительного жгута подводящих 8 и отводящих 9 оптических волокон. Оптические оси подводящих и отводящих оптических волокон дополнительного жгута расположены относительно оптических осей подводящих и отводящих оптических волокон рабочего жгута на расстоянии А соответственно, определяемом выражением:

где ^эв - диаметр оптического волокна; гс - радиус сердцевины оптического волокна; N - прогиб мембраны; 0Ш - апертурный угол.

Под действием давления мембрана прогибается, интенсивность потоков, отраженных от нее и поступающих в отводящие оптические волокна ООВ 1 и ООВ 2, изменяется, т.к. при прогибе чувствительного элемента в центральной части изменяется расстояние Х, а в периферийной - угол а.

р

Рисунок 2 - Упрощённая конструкция ВОДД отражательного типа

В статье по результатам анализа ранее разработанных конструкций преобразователей и расчетов предложено конструктивное решение установки для проверки работоспособности и исследования характеристик волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа. На рисунке 3 представлен общий вид данной установки.

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 3 6НХТЮ.

Волоконно-оптический кабель содержит ПОВ, ООВ 1, ООВ 2 первого и второго измерительных каналов соответственно. Волоконно-оптический кабель устанавливается в корпус датчика 1 посредством наконечника 7 на расстоянии Хо 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 механизма микрометрического 2 задается перемещение имитатора давления 6, соответствующее определенному значению измеряемой величины (в данном случае, 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.

10 9 2

пг

Рисунок 3 - Общий вид установки для исследования ВОДД отражательного типа

Предложенная конструкция установки позволяет исследовать волоконно-оптические датчики давления 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.