УСТАНОВКА ДЛЯ ЮСТИРОВКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Полезная модель относится к области оптико-механического приборостроения и может быть использована для юстировки сборки и проведения экспериментальных исследований дифференциального волоконно-оптического датчика виброускорения.
Известна установка для испытания материалов на износ при возвратно-поступательном движении образца относительно контробразца, которая содержит регулируемый привод, соединенный с кривошипно-шатунным механизмом, и установленный на направляющих ползун, на котором закреплен контробразец, взаимодействующий с подпружиненным образцом (Крагельский И.В. Трение и износ.- М: Машиностроение, 1968. - 480 с. Стр.390, рис.214).
Недостатком указанного устройства является технологическая сложность задания микроперемещений образца с заданной точностью.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для испытания на трение и изнашивание при малых амплитудах перемещения, содержащее электромотор со штоком для передачи возвратно-поступательного движения на исследуемый образец, и тензодатчик, используемый для контроля и задания необходимой нагрузки (Патент РФ на полезную модель RU 78 943 U1, кл. G01N 3/56, опублик. 10.12.08).
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности варьировать конструктивно-технологические параметры исследуемого образца.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей установки. Это достигается тем, что в установку для юстировки и экспериментальных исследований волоконно-оптических датчиков, содержащую устройство в виде микровинта, обеспечивающего возвратно-поступательное движение чувствительного элемента, согласно полезной модели, в нее дополнительно включены устройство юстировки, представляющее собой зубчатые сектора, закрепленные на котировочных винтах, рабочий стол, для установки волоконно-оптического датчика с помощью винтов; контрольно-измерительное устройство в виде цифрового микроскопа, оптическая ось объектива которого совмещена с оптической осью оптического модулирующего элемента, и оптический тестер.
На фигуре 1 представлено устройство для юстировки оптической системы волоконно-оптического датчика, на фигуре 1а - общий вид экспериментальной установки, 1б - вид волоконно-оптического преобразователя перемещений (ВОПП), на фигуре 2 - структурная схема узла для юстировки оптической системы ВОПП, на фигуре 2а - структурная схема устройства для юстировки (УЮ), на фигуре 2б - зубчатое зацепление втулки, в которой закреплен рабочий торец подводящего или отводящего оптического волокна (ПОВ и ООВ), с зубчатым сектором юстировочного винта), на фигуре 3 - устройство для проведения испытаний (УПИ), на фигуре 4 - структурная схема экспериментальной установки, на фигуре 4а - оптический тестер, на фигуре 4б - УПИ, на фигуре 4в - УЮ, на фигуре 5 -ВОПП с оптическим модулирующим элементом (ОМЭ) в виде цилиндрической линзы.
Экспериментальная установка (ЭУ) включает в себя стандартизированные и нестандартные средства измерений: оптический тестер 1, блок питания 2, ПОВ 3 и ООВ 4, объединенные в волоконно-оптический кабель (ВОК) 5; соединительный электрический кабель 6 (см. фиг.2 а); цифровой микроскоп 7, УЮ 8 (см. фиг.1); УПИ 9 (см. фиг.3).
0
ЭУ предназначена для определения зависимости , где W - значение интенсивности выходного сигнала ВОПП 10 под действием физической величины, W - начальное значение интенсивности выходного сигнала ВОПП 10, Z - перемещение ОМЭ 11. Для обеспечения точной юстировки в установке предусмотрен цифровой микроскоп 7, позволяющий контролировать конструктивные параметры оптической системы, с высокой точностью (до 10 мкм).
Волоконно-оптический датчик 12 устанавливают в центр рабочего стола 13 ЭУ. Для позиционирования и крепления датчика в конструкции рабочего стола 13 предусмотрены установочные резьбовые отверстия (на фигуре не показаны), равномерно распределенные по поверхности. Датчик следует устанавливать таким образом, чтобы ось котировочных винтов 14 располагалась перпендикулярно оптической оси ВОПП (фиг.1).
Для задания перемещения в процессе юстировки используются зубчатые секторы 15, закрепленные на котировочных винтах 14 с заданным шагом зубьев (фиг.2). Поворачивая ручки котировочных винтов 14 по часовой или против часовой стрелки на некоторый угол а, наконечники 16 с ПОВ 3 и с ООВ 4 перемещаются вдоль оптической оси X, тем самым устанавливаются расстояния от торцов ПОВ и ООВ до ОМЭ 11, обеспечивающие требуемые значения метрологических характеристик ВОД.
Оптический тестер 1 выполнен в виде малогабаритного переносного прибора и состоит из: блока индикации 17, электрооптического преобразователя СД-ЗЛ107Б 18, фотоэлектрических преобразователей ФД-КФДМ 19 и соединительного кабеля 6. Особенностью данного оптического тестера 1 является возможность анализа дифференциальной схемы датчиков. Кнопки переключения диапазона измерения 20 предназначены для выбора нужного диапазона измерения. Диапазон измерения оптической мощности изменяется за счет переключения коэффициента масштабирования усилителя.
Процесс юстировки заключается в построении зависимостей  при различных расстояниях от торцов ПОВ 3 и ООВ 4 до ОМЭ 11 и в выборе оптимальной функции f(Z), исходя из условия максимальных линейности и чувствительности преобразования и глубины модуляции оптического сигнала.
Крепление наконечников 16 в ВОД осуществляется с помощью установочных винтов (на фигуре не показаны). При установке необходимо исключить возможность вращения наконечников 16, в связи с тем, что это может привести к снижению чувствительности. В конструкции наконечников 16 предусмотрены центровочные шлицы (на фигуре не показаны)
После проведения сборочных операций, ЭУ позволяет провести экспериментальные исследования для проверки работоспособности ВОПП в статическом режиме (фиг.3 и 4).
УПИ 9 включает в себя градуировочный микровинт 21, который закрепляют на стойке ЭУ посредством экспансионного захвата 22. С помощью градуировочного микровинта 21 задается перемещение ОМЭ 11 (цилиндрической линзы) вдоль оси Z перпендикулярно оптической оси X. Перемещение задается при помощи шкалы на градуировочном микровинте 21 с шагом 10 мкм. Для позиционирования ОМЭ 11 с высокой точностью, используется цифровой микроскоп 7, установленный на неподвижном основании ЭУ таким образом, чтобы оптическая ось объектива микроскопа располагалась на оптической оси Z (фиг.1а). При перемещении ОМЭ 11 в плоскости ООВ изменяется положение светового пятна (полого эллипса). На фигуре 5 представлена схема, иллюстрирующая принцип действия ВОПП, состоящий из ОМЭ 11, закрепленного на упругом элементе (на фигуре не показан) выполненном в виде плоской профилированной пружины, одного ПОВ 3 и двух ООВ 4, а также технологического волокна 23.
Модуляция светового потока при помощи цилиндрической линзы 11 происходит следующим образом. Лучи света с излучающего торца ПОВ 3 выходят под апертурным углом ΘNA и падают на цилиндрическую поверхность ОМЭ 11 где преломляются, проходят через тело линзы, попадают на противоположную поверхность линзы, преломляются повторно, тем самым формируется световое пятно 24 в области приемных торцов ООВ 4. Изображение излучающего торца ПОВ 3 в плоскости А-А, где расположены приемные торцы ООВ 4, представляет собой пятно в виде эллипса.
В ВОД используются ОВ с кварцевой сердцевиной и оболочкой ТХО.735.123 ТУ с диаметром сердцевины dc=0,2 мм и цилиндрическая линза диаметром dл=3 мм, изготовленная из органического стекла с показателем преломления nц=1,47.
Оптические разъемы (вилки) (на фигуре не показаны) ВОК 5 соединяются посредством оптических разъемов (розеток) (на фигуре не показаны) оптического тестера 1 с электрооптическим преобразователем 18 - светодиодом типа 3Л107Б и фотоэлектрическими преобразователями 19 - фотодиодами типа КФДМ соответственно, таким образом, чтобы торцы ПОВ 3 находились напротив светодиода 18, а ООВ 4 - напротив фотодиодов 19.
В схеме оптического тестера 1 предусмотрены два фотоэлектрических преобразователя 19 для обеспечения дифференциальной схемы.
Измерительная установка работает следующим образом. На оптический тестер 1 подается напряжение питания (12±1,5) В от внешнего источника постоянного тока Б5-6 (блок питания БП) 2 который, в свою очередь, питается от сети переменного напряжения 220 В частотой 50 Гц. Оптическое излучение со светодиода СД-3Л107Б по ПОВ 3 попадает на ОМЭ 11 затем формируется световое пятно в плоскости ООВ 4, по которым световой поток поступает на вотодиоды ФД-КФДМ. Электрический сигнал (амплитуда) фотоприемника усиливается входным усилителем, далее поступает на вход АЦП. На выходах АЦП формируется 3,5-разрядный цифровой код, значение которого соответствует измеряемой мощности в ваттах. С АЦП цифровой код поступает на блок индикации 17 где отображается на полупроводниковых индикаторах.
Предложенная ЭУ позволяет исследовать метрологические характеристики волоконно-оптических датчиков (ВОД), принцип действия которых основан на линейном перемещении модулирующего элемента, что позволяет судить о работоспособности ВОПП, определять и осуществлять юстировку конструктивно-технологических параметров для достижения требуемой точности, оценивать качество изготовления узлов и элементов ВОП.
Данная установка может быть использована в качестве юстировочного и настроечного оборудования для ВОД давления, перемещения, ускорения, вибрации и других физических величин с целью обеспечения высоких метрологических характеристик.