Дифференциальный волоконно-оптический датчик виброускорения. Конструкция и технология

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ДАТЧИК ВИБРОУСКОРЕНИЯ.

КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ

Щевелев А.С., аспирант

Юрова О. В. аспирант

Бростилов С. А. аспирант

Удалов, студент

Пензенский государственный университет

При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки РФ

Предложено конструктивное решение дифференциального волоконно-оптического датчика виброускорения (ВОДУ), отличающееся простотой изготовления, улучшенными метрологическими характеристиками.

Proposed a constructive solution of the differential fiber-optic acceleration sensor, which has simple construction, the improved metrological characteristics.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : Цилиндрическая линза, волоконно-оптический преобразователь, световой поток, математическая модель.

Key words: Cylindrical lens, of fiber-optic displacement transducer, light quantity, mathematical model

Эффективное использование оружия требует наличия своевременной (от долей секунды до минут) и детальной информации как о целях, так и о состоянии и готовности систем оружия. Цели должны быть опознаны, их местоположение и перемещение должны измеряться с высокой точностью, с выявлением наиболее уязвимых мест и т.д. Аналогично, для прицеливания и наведения систем оружия необходимо постоянное поступление детальной информации об этих системах - их состоянии, положении, характеристиках, а также о параметрах окружающей среды. Требуемая информация может быть получена только в результате измерения всех необходимых физических параметров, что позволяют делать датчики.

Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров ускорений, вибрации 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 автомобиля в целом при движении и при регистрации ДТП), в энергетике (контроль вибрации лопаток газовых 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 влияющих факторов и разместить в амортизированном корпусе.

За рубежом высокими темпами ведется разработка и внедрение в военную технику волоконно-оптических датчиков, которые, кстати, применяются в космической системе многоразового использования SpaceShuttle и др. Темпы продажи таких датчиков в США ежегодно возрастают на 10 %. Объем мирового рынка датчиков для ракетно-космической и авиатехники увеличится с 2000 года с 31,6 млрд. до 38,9 млрд. долл. к 2005 году и до 44,2 млрд. долл. к 2010 году.

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, закрепленной на упругом элементе 7, выполненном в виде плоской пружины, а также одного подводящего 2 (ПОВ) и двух отводящих оптических волокон 3 (ООВ) (рисунок 1).

1 - втулка 5 - установочные винты

2 - ПОВ 6 - оптические волокна

3 - ООВ 7 - упругий элемент

4 - основание 8 - цилиндрическая линза

Рисунок 1 - 3D модель дифференциального ВОДУ без крышки

Основание 4 имеет цилиндрическую форму в связи с тем, что крышка и корпус соединяются между собой с помощью аргоновой сварки. Для упрощения технологического процесса сварки, ВОДУ радиально устанавливается в оснастку, и сварка производится в автоматическом режиме, что в свою очередь повышает точность, производимой операции.

Упругий элемент 7 крепится в основании 4 при помощи установочного винта 5. Корпус датчика изготовлен из материала АМг3 с плотностью 2670 кг/м . Данный сплав характеризуется высокими усталостными характеристиками и высокой коррозионной стойкостью.

Оптические волокна 6 укладываются в специальную выемку. Для того чтобы оптические волокна не сломались, в месте максимального изгиба они помешены во фторопластовые трубки. Полость для укладки волокон 6 заливается герметиком, тем самым обеспечивается их неподвижность.

Для того чтобы введение линзы 8 в зону измерения не повлекло за собой увеличения габаритов ВОПП, используется цилиндрическая линза.

В качестве упругого элемента 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 36НХТЮ, наиболее полно удовлетворяющей этим и ряду других условий. ПОВ, линза, ООВ расположены на одной оптической оси. Для юстировки линзы по оси Z 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 от ПОВ до линзы (/) и от линзы до ООВ (/1) для проектируемой конструкции были выбраны из условия наиболее эффективного ввода оптического излучения в ООВ [1]. Для проектируемого ВОДУ, работающего в диапазоне от 0 до 10^, были выбраны следующие оптические и конструктивные параметры: /=1,41 мм, //=4,51 мм, диаметр линзы 3 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 и рабочей длиной 7,75 мм.

Структурная схема дифференциального ВОВД представлена на рисунке 2.

ИИ - источник излучения;

ПОВ - подводящее оптическое волокно;

ИМ - инерционная масса (цилиндрическая линза);

ООВ1, ООВ2 - отводящие

оптические волокна первого и второго каналов;

ПИ, ПИ2 - приемники излучения;

У1, У2 - усилители сигнала

БПИ - блок преобразования информации;

ВОК - волоконно-оптический кабель;

ВОДУ - волоконно-оптический датчик ускорений

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 Z, закрепленной на упругом элементе, в корпусе датчика. Перемещение линзы вызывает изменение интенсивности светового потока. Световые потоки Ф^) и Ф2(г), 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 1(z) и Ф2^) в электрические Z1(z) и I2(z) соответственно. Данные сигналы поступают на вход БПИ, где происходит операция вычитания сигналов I1(z) и I2(z). Это позволит компенсировать изменение мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон, а также удвоить чувствительность преобразователя и линеаризовать выходную характеристику.

Анализ результатов моделирования позволил выбрать оптимальные параметры ВОП, например, для ОВ с параметрами dc = 0,2 мм, 0Na = 12 градусов передача максимально возможной мощности излучения светового потока в зону преобразования оптического сигнала ВОВП достигается при следующих конструктивных параметрах: радиус цилиндрической линзы гЛ = 1,5 мм; расстояние между ПОВ и центром линзы l1 = 1 мм; расстояние между центром линзы и ООВ l2 = 2,4 мм (рисунок 3). Из приведенного графика функции £ПР = fZ) можно сделать вывод, что при перемещении цилиндрической линзы вдоль оси Z происходит линейное изменение выходной функции и данное конструктивно-технологическое решение имеет высокую чувствительность.

В конструкции данного датчика используется дифференциальная схема управления световым потоком. Это сделано с целью:

- увеличения чувствительности преобразования за счет суммирования нескольких световых потоков

- получения линейной функции преобразования

- снижения погрешностей, обусловленных следующими причинами:

1) 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. Соответственно, предлагаемое техническое решение не ведет к лишним материальным затратам.

Данная разработка может применяться в оборонной промышленности и ракетнокосмической технике.

Список литературы

1 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 волоконнооптического 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. 27-29.

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.

Сведения об авторах

Щевелев Антон Сергеевич - аспирант кафедры Приборостроения Пензенского государственного университета г.Пенза, ул.Красная, 40, тел (8412)36-80-89

persivald87@gmail.com

Юрова Ольга Викторовна - аспирант кафедры Приборостроения Пензенского государственного университета, г.Пенза, ул.Красная, 40, тел.(8412)36-80-89,

olyura55@rambler.ru

Бростилов Сергей Александрович - аспирант кафедры КИПРА Пензенского государственного университета, г.Пенза, ул.Красная, 40, тел.(8412)36-82-12, ser-

brostilov@yandex.ru

Мурашкина Татьяна Ивановна - д.т.н., профессор кафедры Приборостроения Пензенского государственного университета, г.Пенза, ул. Красная, 40, тел.(8412)36-84-59 timurashkina.pgu@mail.ru.