Исследование оптоэлектронного метода и разработка первичных преобразователей амплитудных датчиков ускорения

УДК 681.7.068

А.О. Ушаков, Н.Р. Рахимов

СГГА, Новосибирск

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО МЕТОДА И РАЗРАБОТКА ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ АМПЛИТУДНЫХ ДАТЧИКОВ УСКОРЕНИЯ

В статье рассматривается исследование оптоэлектронного метода и построение первичных преобразователей амплитудных датчиков ускорения. Отличительной стороной данных датчиков является то, что оптоволоконные датчики не подвержены электромагнитным излучениям, и они имеют малые габариты, а так же низкую стоимость изготовления.

A.O. Ushakov, N.R. Rakhimov

Siberian State Academy of Geodesy

10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

INVESTIGATION OF OPTOELECTRONIC METHOD AND DEVELOPMENT OF PRIMARY TRANSDUCERS OF AMPLITUDE ACCELERATION SENSORS

The research of optoelectronic method and development of primary transducers of amplitude acceleration sensors are considered. The feature of the sensors is the fact that fiber optics sensors are not subject to electromagnetic radiation, they have small dimensions and low production cost.

Датчики ускорения (акселерометры) находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации и т. п. В настоящее время в науке и технике применяется много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены. Несмотря на это поиск новых методов первичных преобразователей датчиков ускорения продолжается.

Инерциальные навигационные системы (ИНС) это навигационное устройство, в основу которого положены классические (ньютоновские) законы механики. Посредством и.н.с определяют координаты, скорость, ускорение и др. основные параметры движения объекта. ИНС имеют перед другими навигационными системами важные преимущества - универсальность применения, возможность определения основных параметров движения, автономность действия, абсолютную помехозащищенность.

В современных ИНС применяются два типа измерителей линейного ускорения: механические [1] и интерферометрические [2]; последние, хотя и

считаются оптическими приборами, но функционально подобны первым, потому что они, как и механические, являются измерителями кажущегося ускорения что обусловлено принципом из работы — воздействие инертной массы на материал оптического канала. [3].

Современные технологии позволяют изготовить датчики ускорения, имеющие малые габариты и низкую цену. Наиболее популярные виды акселерометров это пьезоэлектрические, ГЕРЕ-акселерометры, пьезорезистивные и акселерометры переменной емкости. Эти виды относятся к механическим акселерометрам. Рассмотрим принципы работы основных типов датчиков ускорения.

Основные варианты конструкций пьезоэлектрических акселерометров:

- Сжатия, в котором масса воздействует силой сжатия на пьезоэлектрический элемент;

- Сдвига, характерным для которого является работа пьезоэлемента под действием срезывающего усилия, обусловленного внутренней массой акселерометра.

Датчик деформации пьезорезистивных акселерометров изменяют электрическое сопротивление пропорционально приложенному механическому напряжению. Монолитный датчик акселерометра включает в себя встроенные механические ограничители и обладает очень высокой прочностью.

В акселерометрах переменной емкости уникальный микродатчик переменной емкости создает емкостное устройство с параллельным расположением пластин. В результате получается датчик с реакцией на входные ускорения постоянного тока, со стабильной характеристикой демпфирования, которая максимизирует частотную характеристику.

Одно из перспективных применений волоконных световодов в контрольно -измерительной технике связано с изготовлением датчиков ускорения, имеющие малые габариты и низкую цену. [2].

Оптоэлектронные системы с применением волоконно-оптических датчиков (ВОД), обладая рядом достоинств (невосприимчивость к электромагнитным и радиочастотным помехам, диэлектрические свойства, возможность применения в опасных средах, малая масса и габариты), находят широкое применение в авиационной промышленности для контроля и управления. В последнее время значительно улучшено качество световодов, т.е. получены волоконные световоды с потерями меньше 1 дБ/км. Подбором материала и конструкции оптоволокна добиваются увеличения потерь для мод, распространяющихся в оболочке, и их снижения для направленных мод в сердечнике.

В зависимости от материалов используемых для изготовления оптоволокна, их можно разделить на волокна, в которых сердечник и светоотражающая оболочка выполнены из кварца, легированного окислами бора, фосфора, германия и т.д. Они широко применяются в диапазоне длин волн

0,8 - 1,7 мкм. Достигнутый минимальный уровень затухания при длине волны 1,3 мкм составляет 0,2 - 0,4 дБ/км и при длине волны 1,55 мкм - 0,16 дБ/км.

Принцип действия оптоэлектронного датчика ускорения основан на изменении потерь интенсивности светового потока, распространяющегося по волокну при изменении радиуса изгиба световода или прерывании светового потока.

Авторами разработано множество возможных конструктивных решений по оптоэлектронному датчику ускорения. На рис. 1 (а, б, в, г) показаны варианты конструкции оптоэлектронных датчиков ускорения на основе оптоволокна.

Один из вариантов датчика (г) представляет собой световод, намотанный в виде соленоида и жестко приклеенный к основанию. При ускоренном движении системы вверх или вниз сила инерции, действующая на виток оптоволокна, деформирует его, вызывая изменение изгибных потерь проходящего света. Поток Ф, проходящий через оптоволокно, в этом случае подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера:

Ф = Ф0ехр

где Фо - начальный поток в световоде; Ф - проходящий поток; а -коэффициент поглощения, зависящий от вида световода и радиуса соленоида; Ь -длина изогнутого световода. Коэффициент поглощения а для одномодовых волоконных световодов с гауссовым распределением показателя преломления определяется [4,5] по формуле:

Я (V-!)3 Р

£_

Я

V

•ехр

г \2 А

к4*«;

V

2 2

п -п

с0 С1

с0

- максимальное значение

где р - масштабный параметр; д = показателя преломления; псх - минимальное значение показателя преломления;

V = 2ярА/л; к - длина волны излучения; g - некоторая медленно меняющаяся функция; Я - параметр внешнего воздействия.

Рис. 1. Варианты конструкции оптоэлектронных датчиков ускорения на основе оптоволокна 1 - основание датчика; 2 - световоды; 3 - глинза; Ху - ускорение; СИД - светоизлучающий диод; ПОИ - приемник оптического излучения

Если определим коэффициент из экспериментальной зависимости (рис. 2) при постоянном угле дуги фо Ф = Ф(Я) при радиусе изгиба, соответствующему линейному участку зависимости, то можно определить:

Ф

— !т и I Ь

Ф

кЯ + Ь

о

Преобразуя (1) с учетом (3), получаем

а =-----1--]п(кЯ + Ь) т

ф0Я > У4)

Ф

Фо

где ф

= ехр

Фо

1п

угол дуги изогнутого световода.

Ф

/ 1 х' 1

ОГС. if.il 1 1 ъ

0 Ил

Д

Рис. 2. Экспериментальная зависимость затухания сигнала от изгиба соленоида

Рабочую точку датчика Яа можно выбрать в конце линейного участка. Учитывая, что ср = 2тг7У, то для начального положения датчика получим

1п

Ф: = Ф0 • exp

При увеличении ускорения увеличивается деформация витка, который состоит из двух прямолинейных участков и двух полуокружностей.

к = кА~- пл А 2 ’

где и - расстояние изгиба.

Учитывая это, Ф2 можно записать для движения с ускорением:

Ф2 = Фо • exp

2nN •Ы k Го

+ b >

_ Ф0 1 1 А 2j

а эффективность модуляции находится как

= 1-exp

2ttN

%

к

ln

V-' Ä 2

\ 2 J

+ b

Для конструирования данного оптоэлектронного датчика ускорения можно использовать кварц-полимерные световоды с диаметром оболочки 124 мкм, диаметром сердцевины «8,5 мкм и диаметром покрытия 220 мкм, при радиусе изгиба 2 - 4 мм.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ишлинский, А.Ю. Классическая механика и силы инерции.- М.: Наука, 1987.- 320 с.

2. Бусурин, В.И. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения / В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 256 с.

3. Девятисильный, А.С. Интерпретация измерений оптического акселерометра // ЖТФ.- 2004.- Том 74, вып. 9.

4. Снайдер, А.У Теория одномодовых волоконных световодов // Письма в ЖТФ.- 1981.- № 1, 69.- С. 7-15.

5. Разработка волоконно-оптических преобразователей для систем автоматизации прочностного эксперимента: отчет. НИР,- Ташкент: Институт теплофизики, 1988.- С. 20-21.

© А.О. Ушаков, Н.Р. Рахимов, 2011