Структурные и метрологические модели и алгоритмы преобразования оптических сигналов волоконно-оптического преобразователя перемещения с управляющим элементом в виде шарообразной линзы

Зуев В.Д., Мурашкина Т.И., Щевелев А.

СТРУКТУРНЫЕ И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ С УПРАВЛЯЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ В ВИДЕ ШАРООБРАЗНОЙ ЛИНЗЫ

На стадии проектирования необходимо проводить тщательный метрологический анализ будущего волоконно-оптического преобразователя перемещения (ВОПП) с управляющим элементов в виде шарообразной линзы, принять соответствующие решения по снижению возможных погрешностей [1, 2].

Структурная схема ВОПП представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема ВОПП

ВОПП состоит из оптического чувствительного элемента (ОЧЭ), выполненного в виде шарообразной линзы, и волоконно-оптического кабеля (ВОК). ВОК представляет собой жгут подводящего оптического волокна (ПОВ) и отводящего оптического волокна (ООВ). Оптоэлектронный блок (ОЭБ) состоит из источника излучения (ИИ) и приемника излучения (ПИ), выполняющие функцию преобразования оптического излучения в электрический ток (напряжение) и обратно. Для эффективной передачи светового потока от ИИ к ПОВ и от ООВ к ПИ вводятся узлы юстировки (УЮ) . Если в узлах юстировки отсутствуют подвижные элементы для юстировки, то они выполняют роль стыковочных элементов. В этом случае их целесообразно назвать оптическими разъемами (ОР) [3].

В соответствии со структурной схемой вибродатчкка (см. рисунок 1) изменения энергетических соотношений и структуры пучка света осуществляются в оптических разъемах ОР1, ОР2 и ОЧЭ.

Процесс управления световым потоком в данных узлах заключается в выборе оптимальных конструктивно-энергетических соотношений на этапе проектирования и конструирования, например: определяются количество и взаимное расположение оптических волокон (ОВ) в приемном торце ВОК [4, 4], выби-

раются типы, геометрические параметры и соотношения взаимного расположения ИИ, ОВ и оптических элементов и т.д.

И к первому, и ко второму оптическому разъему ОР1, ОР2 предъявляется одно основное требование: передача максимально возможной мощности излучения, определяемой коэффициентами передачи трактов "ИИ - ПОВ" Кис и "ООВ - ПИ" Кот.

Во втором случае данная задача решается достаточно просто, так как площадь сечения ООВ, как правило, значительно меньше площади светочувствительных площадок фотодиодов типа КФДМ, ФД25 6, ФД-19КК и т.п., используемых в качестве ПИ в современных оптических датчиках. Практически вся мощность с выхода ООВ попадает на ПИ, т.е. Ксп~1• Несколько сложнее обстоит дело с вводом излучения от ИИ в ПОВ. Решение последней задачи подробно описано в [6].

Принцип действия данного ВОПП заключается в следующем. Электрический сигнал ип, поступающий на вход ОЭБ, преобразуется с помощью электрооптического преобразователя ИИ в оптический сигнал Фо, который поступает на вход ПОВ через оптический разъем ОР1 и подается в зону измерения, т.е. на ОЧЭ (см. рисунок 1). Измерение параметров вибрации основано на регистрации изменения интенсивности светового потока, фокусирующегося на ООВ шарообразной линзой. Линза одновременно является модулятором оптического сигнала, фокусирующим элементом и инерционной массой, перемещающейся в соответствии с законом изменения измеряемой величины (ускорения) относительно ПОВ и ООВ. Таким образом, для модуляции интенсивности оптического сигнала используется зависимость величины угла преломления падающего на линзу луча от изменения кривизны поверхности линзы при ее перемещении. Световой поток Ф(а), промодулированный в функции контролируемого параметра "а", поступает в ООВ.

По ООВ световой поток направляется на ПИ через оптический разъем ОР2, где преобразуется в эквивалентный фототок 1(а).

Таким образом, на выходе ПИ получается ток, по амплитуде которого можно судить о вибрации в зоне измерения.

Т.е, происходят следующие преобразования:

Требуемая (номинальная) функция преобразования ВОПП в общем виде имеет следующий вид: 1н = Р (а) .

Но в реальных условиях применения на результат измерения влияют внешние помехи и влияющие фак-

а. V

торы 71, погрешности изготовления 11 отдельных структурных элементов и узлов, помехи 1, возникающие в самом преобразователе. Следовательно, реальная функция преобразования, учитывая все выше

, 1н = Р

перечисленные факторы, примет вид: н 4 . .

Погрешность преобразования определится как:

Л = 1 р - 1Н .

Модель функции преобразования ВОПП представляет собой зависимость тока приемника излучения I от множества внешних факторов :

1

где Рии - мощность светового потока ИИ; ^(^) - коэффициент спектрального согласования элементов ВОПП; <Ф^/Лп,1^1) - функция преобразования ВОПП; ^ПИ - интегральная токовая чувствительность ПИ.

В соответствии с метрологической моделью (рисунок 2) реальная функция преобразования будет иметь вид:

/р = рёё (} + 8£>ёё )(Л1 + ёиа)(1 + 5Ёлл )(Л2 +Лз +лё + ёё1 )х X (1 + ЗЁ1 ? )(Л4 + Ёя ) (1 + ЗЁЯ )[(1 + 5ц (2))] (Д5 + 5 ) (1 + 5^ ) а, (з}

где Д! - погрешность юстировки ИИ относительно ПОВ; Д2 - погрешность юстировки ПОВ относительно ОЧЭ; Дз - аддитивная погрешность из-за неточности изготовления формы ОЧЭ; Д 4 - погрешность

Л ДЛ

юстировки ОЧЭ относительно ООВ; 5 - погрешность юстировки ООВ относительно ПИ; 6 -

спектрального согласования ИИ и ПИ;

8D*

погрешность

погрешность линейности функции преобразования ВОПП;

погрешность, обусловленная изменением мощности и диаграммы излучения ИИ при изменении

температуры окружающей среды, напряжения питания и т.д.;

§ЁМ дЁт

погрешности, обусловлен-

5Ё-

ные изменением светопропускания ПОВ и ООВ при изгибах волоконно-оптического кабеля; 1 -

мультипликативная погрешность ОЧЭ, обусловленная изменением параметров измерительного преобразо-

5г1(Х) -

вателя при изменении внешних влияющих факторов; и ПИ при изменении температуры окружающей среды;

5Ё,

погрешность спектрального согласования ИИ погрешность от изменения интегральной

токовой чувствительности ПИ при изменении температуры окружающей среды, напряжения питания и т.д.

Рисунок 2 - Метрологическая модель ВОВД

С учетом зависимостей (1) и (2) выражение (3) примет вид:

/Р = ЁЁЙД1 + Ё 1х? (Д2 + Д3 +Дё ) + ЁЙ1 Д4 + 51Ё (Д5 +Д6 ) + (5^ёё )^ЁЁ + + (5ЁЁЙ ) ЁЁЙ + [5Ц(2)]Ц(2)+[5ЁЙ/ + 5Ё1хГ + 551Ё ]

5)

б)

Мультипликативная составляющая погрешности равна:

Ш =^Зр'Ии + ЗКИс + Жочэ + 5КСп +3г]2 (А) + Пи

Аддитивная составляющая погрешности:

Д/а = Ё ЁЙД1 + Ё1 х?

Нелинейная составляющая погрешности:

д/ё = Ёи

Аддитивная и нелинейная составляющие погрешности не влияют на результат измерения, если в нормативно-техническую документацию на датчик (ТУ, ТО) вносится градуировочная характеристика ВОПП, смещенная вдоль оси ординат относительно номинальной функции преобразования на величину аддитивной погрешности. Если в документацию внесена номинальная функция преобразования в виде аналитической зависимости, то необходимо учитывать данные погрешности, например при обработке результатов измерений, с целью их исключения.

Самую большую погрешность Д1 (до 10%) могут внести радиальные рассогласования ИИ и ПОВ. Продольные и угловые рассогласования вносят незначительную погрешность (не более 1%), если не превышают 10% от диаметра жгута или апертурного угла ОВ.

Погрешности Д2 - Л4 в значительной степени зависят от конструктивного исполнения ОЧЭ. В процессе проектирования необходимо предусмотреть такие конструктивно-технологические и схемные технические решения, которые позволят снизить указанные погрешности. Ввиду того, что в каждом конкретном случае конструкции ОЧЭ могут отличаться друг от друга, то и способы снижения их в каждом случае различны.

Погрешность Д5 практически равна нулю, т.к. площадь торца жгута ООВ значительно меньше площади приемной светочувствительной площадки ПИ.

Погрешности Д1 - Д5 могут быть существенно снижены в процессе сборки точной юстировкой элементов конструкции.

Погрешность спектрального согласования источника и приемников излучения Дб может быть полностью исключена, если диапазон длины волны излучения источника излучения соответствует диапазону спектральной чувствительности приемника излучения. Например, анализ спектральных характеристик инфракрасного светодиода 3Л107Б и фотодиодов КФДМ, ФД-19КК, ФД-32К показал, что спектральная характеристика интегральной чувствительности фотодиода ФД-32К не соответствует спектральной характеристике светодиода 3Л107Б, т.е. коэффициент спектрального согласования ц(2) практически равен нулю. Спектральный диапазон фотодиода ФД-19КК частично совпадает со спектром светодиода 3Л107Б, и коэффициент спектрального согласования составляет ц (2) * 0,5. Лучшей парой светодиоду 3Л107Б по

коэффициенту спектрального согласования можно считать фотодиод КФДМ, спектральный диапазон чувствительности которого полностью перекрывает диапазон излучения светодиода 3Л107Б. В этом случае ц(2) * 1.

Мультипликативная погрешность 5ц(2) спектрального согласования источника и приемников излучения при изменении температуры окружающей среды в диапазоне ±50оС может достигать 25...30% (например, для пары светодиод 3Л107Б - фотодиод ФД-19КК). Но она может быть существенно снижена, если использовать двухплощадочные фотодиоды, каждая из светочувствительных площадок которых включена в один из измерительных каналов дифференциальной схемы, к которой подведены ООВ соответствующих измерительных каналов.

A

Л

Мультипликативные погрешности 5РИИ, 5КИП, 5SПИ при изменении параметров окружающей среды могут достигать 30%, а в отдельных случаях 50% от результата измерения, если не принять соответствующих мер. Но так как они носят систематический характер, поэтому могут быть исключены тем или иным способом. В литературе достаточно подробно освещены вопросы снижения указанных погрешностей. Для снижения этих погрешностей используют различные схемотехнические решения: дифференциальное исполнение измерительной схемы датчика, введение дополнительных схем коррекции и т.п.

Погрешности 5КИС, 5КСП, обусловленные изменением светопропускания ОВ при неинформативных изгибах ВОК, можно исключить использованием тех же приемов, что и для исключения вышеперечисленных мультипликативных погрешностей, если только изгибы волокон незначительны (не менее 10 диаметров волокна). Большие изгибы ВОК вызывают существенное снижение интенсивности светового потока, поступающего в зону измерения, что снижает глубину модуляции оптического сигнала в процессе измерения. Поэтому при изготовлении и эксплуатации необходимо принять все возможные конструктивнотехнологические меры для исключения неинформативных изгибов ВОК.

Мультипликативная погрешность 5КИП, обусловленная изменением параметров измерительного преобразователя при изменении параметров окружающей среды и воздействии механических факторов, может быть оценена только для конкретных типов измерительных преобразователей.

Заключение

Метрологический анализ волоконно-оптического преобразователя перемещения с управляющим элементов в виде шарообразной линзы показал, что если в процессе проектирования учесть возможные причины возникновения погрешностей, то можно как в процессе проектирования, так и в процессе обработки измерительной информации существенно снизить различные составляющие погрешности измерения данного ВОПП.

Литература

1. Волчихин В. И., Мурашкина Т. И. Проблемы создания волоконно-оптических датчиков // Датчики и системы. Измерения, контроль, автоматизация- 2001.- № 7. - С.54-58.

2. Пивкин А.Г. Обобщенный подход к метрологическому анализу волоконно-оптических датчиков / Е. А. Бадеева, А.В. Гориш, А.Г. Пивкин //Информационно-измерительная техника, экология и монито-ринг:Науч. тр. - Вып 6 (2003). - М.: МГУЛ, 2003. -С.255-257.

3. Мурашкина Т. И. К вопросу применения терминов при проектировании волоконно-оптических средств измерения // Элементы и приборы систем измерения и управления автоматизированных производств: Межвуз. сб. науч. тр., Вып. 4 - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - С. 69-74.

4. Зуев В.Д., Волков В.С., Кривулин Н.П., Мурашкина Т.И. Методика определения конструктивных параметров волоконно-оптического преобразователя с управляющим элементом в виде сферической линзы // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» 26 мая-1 июня 2008, Том 2. Пенза: ИИЦ 2008 г., с.53-55

5. Зуев В.Д, Кривулин Н.П., Мурашкина Т.И. Волоконно-оптический преобразователь перемещений со сферической линзой // Датчики и системы. - 2008 - №5. с.8-10

6. Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети. - М.: Эко-тренз, 1998. - 267 с.