Дифференциальные волоконно-оптические датчики давления с отражательным аттенюатором. Описание конструкции. Принцип действия

Крупкина Т.Ю., Мурашкина Т.И. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С ОТРАЖАТЕЛЬНЫМ АТТЕНЮАТОРОМ. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Предложена новая конструкция и процесс сборки волоконно-оптического датчика давления (ВОДД) с отражательным аттенюатором. Предлагаемый датчик может быть использован для измерения больших давлений в диапазоне температур ± 10 0о С на изделиях ракетно-космической техники, не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.

В последнее время достаточно широкое применение получили ВОДД аттенюаторного типа [1]. Одно из основных преимуществ ВОДД с применением аттенюаторов - это возможность дифференциального преобразования оптических и электрических сигналов, позволяющего существенно улучшить метрологических характеристики датчика.

В работе [2] рассмотрена конструкция аттенюаторного ВОДД проходного типа. Недостатком данного ВОДД является низкая чувствительность преобразования из-за потерь светового потока в пространстве между подводящими оптическими волокнами (ПОВ) и отводящими (ООВ). Кроме того, расположение ПОВ и ООВ с двух сторон относительно аттенюатора требует точной юстировки волокон относительно друг друга и аттенюатора, что снижает надежность устройства и усложняет технологию его изготовления. Вышеперечисленные недостатки устранены в ВОДД с отражательным аттенюатором. В работе [3] рассмотрен принцип действия волоконно-оптического преобразователя перемещения (ВОПП) с отражательным аттенюатором, который является основным элементом рассматриваемого датчика.

Разработана обобщенная структурная схема дифференциального ВОДД аттенюаторного типа, приведенная на рисунке 1.

На схеме приняты следующие обозначения: ВОПД - волоконно-оптический преобразователь давления; ИИ - источник излучения; £ - сумматор; ПОВ - подводящее оптическое волокно; ООВ1, ООВ2 - отводящие оптические волокна первого и второго измерительных каналов соответственно; Д - делитель; ПИ1, ПИ2 - приемники излучения; ВУ - вычитающее устройство; ВОК - волоконно-оптический кабель.

ВОДД работает следующим образом. Часть светового потока источника излучения Фо' по подводящему оптическому волокну ПОВ подается в зону измерения. Под действием измеряемого давления Р мембрана прогибается, соответственно смещается в направлении 2 аттенюатор (шторка), жестко на ней закрепленный.

В соответствии с заложенным в аттенюаторе алгоритмом преобразования происходит преобразование оптического сигнала Ф0.

Часть оптического излучения Фх (Р) поступает в отводящее оптическое волокно ООВ 1 первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф2( Р) - в отводящее оптическое волокно ООВ 2 второго измерительного

канала. По ООВ 1 и ООВ 2 световые потоки направляются на приемники излучения ПИ 1 и ПИ 2, соответственно. Приемники излучения ПИ1 и ПИ 2 преобразуют оптические сигналы Фх' (Р) и Ф2' (Р) в электрические сигналы Тх (Р) и 12 (Р) соответственно, которые далее поступают на вход блока преобразования информации БПИ.

В БПИ осуществляется операция суммирования и вычитания сигналов Тх (Р) и Т2 (Р), а затем - операция деления разности сигналов на их сумму

[Тх(Р) - Т2(Р)]/[Тх(Р) + Т2(Р)]

Рисунок 1 - Структурная схема дифференциального ВОДД с отражательным аттенюатором

Данный алгоритм преобразования БПИ позволяет в два раза повысить чувствительность преобразования датчика, компенсировать изменения мощности излучения светодиода и интегральной токовой чувствительности приемников излучения при изменении температуры окружающей среды, уменьшить дополнительные погрешности, обусловленные воздействиями внешних факторов, а также неинформативными потерями светового потока при изгибах оптических волокон.

На рисунке 2 представлен общий вид ВОДД с отражательным аттенюатором.

Рисунок 2

ВОДД состоит из мембранного блока 1, волоконно-оптического кабеля (ВОК) 2, штуцера 3, корпуса 4, фотоблока (фотодиоды хх и светодиод х 2) и розетки 13 .

Блок мембранный 1 состоит из корпуса, упругого элемента - мембраны с жестким центром (в качестве жесткого центра - аттенюатор). Мембрана выполнена из сплава 3 6НХТЮ, корпус - из стали 12Х18Н10Т, аттенюатор -из стали Д16. Аттенюатор (шторка) представляет собой пластину, имеющую поверхности с зеркальной и поглощающей частями. Зеркальная часть выполнена в виде горизонтальной полосы шириной Ь, равной диаметру сердцевины (За оптического волокна и верхняя граница которой установлена относительно оптической оси подводящего оптического волокна при 2=0 на расстоянии Н=(З0в/2- Зс/2). Это объясняется тем, что технология изготовления прямоугольной формы отражающей поверхности аттенюатора по сравнению со всеми остальными значительно проще. Аттенюатор жестко крепится к мембране посредством пайки. Мембрана со шторкой устанавливается в корпус и соединяется с корпусом сваркой.

Волоконно-оптический кабель содержит ПОВ, ООВ 1, ООВ 2 первого и второго измерительных каналов соответственно . Волоконно-оптический кабель устанавливается в корпусе датчика на расстоянии Хо относительно рабочей поверхности аттенюатора.

Наконечник 5 устанавливается в корпусе датчика. Штуцер 3 и корпус датчика 4 и соединены между собой с помощью сварки.

Фотоблок представляет собой держатель 9, в который вклеены светодиод 12, рабочий и компенсационный фотодиоды И. Фотоблок соединен с кабелем посредством наконечника 6. Держатель 9 устанавливается в корпус 7. Фотоблок присоединяется к блоку преобразования информации (БПИ) с помощью розетки 13 типа СНЦ 13-10/10 Р-И-В корпуса 8. К контактам розетки подпаиваются выводы светодиода и фотодиодов. Для исключения механический повреждений предусмотрен колпачок. Полость Г заливается герметиком АН-117 для обеспечения герметичности.

Принцип действия датчика заключается в преобразовании величины избыточного давления Р, воспринимаемого упругим элементом, в изменение интенсивности оптического излучения и дальнейшего преобразования выходного сигнала датчика в стандартный токовый сигнал. Световой поток Фо от ПОВ проходит в прямом направлении расстояние Хо до аттенюатора и расстояние Хо в обратном направлении до ООВ 1 и ООВ 2 под апертурным углом ©ш к оптической оси волокна. При этом в плоскости приемных торцов отводящих оптических волокон ООВ 1 и ООВ 2 наблюдается освещенная кольцевая зона шириной Ь=2га, т.е. равная диаметр оптического волокна. В нейтральном положении, когда измеряемый параметр соответствует начальной точке диапазона измерения при 2=0 аттенюатор, установлен относительно общего торца оптических волокон таким образом, чтобы освещенная кольцевая зона полностью перекрывала поверхности отводящих оптических волокон.

Датчик работает следующим образом.

От источника излучения - светодиода !2 по ПОВ световой поток Фо направляется в сторону аттенюатора. Под действием измеряемой физической величины мембрана прогибается, аттенюатор перемещается на величину 2 относительно торцов отводящих оптических волокон ООВ х и ООВ 2, что ведет к изменению интенсивности световых потоков Фг(2) и Ф2(2), поступающих по отводящим волокнам на светочувствительные площадки ПИ 1 и ПИ 2 (фотодиодов И) первого и второго измерительных каналов соответственно. Приемники излучения преобразуют оптические сигналы в электрические Тг и 12, поступающие на вход БПИ. В БПИ осуществляется операция деления сигналов Тг и Т2, что позволяет компенсировать изменения мощности излучения светодиода и потери светового потока при изгибах оптических волокон, так как их отношение не зависит от указанных факторов, а также линеаризовать выходную зависимость. Для удвоения чувствительности преобразования можно сформировать отношение разности сигналов Тг и Т2 к их сумме.

Предложенная конструкция волоконно-оптического датчика давления позволяет реализовать дифференциальную схему преобразования, что в два раза повышает чувствительность преобразования, позволяет добиться линейной функции преобразования, уменьшить погрешности, обусловленные изгибами оптических волокон под воздействием внешних дестабилизирующих факторов. Датчик имеет простую, надежную конструкцию, не требует сложных технологических, юстировочных и измерительных операций при изготовлении оптической части, имеет дешевую компонентную базу - многомодовые оптические волокна. Соответственно, предлагаемое техническое решение не ведет к лишним материальным затратам. Следует отметить, что предложенный датчик может быть использован в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники.

ЛИТЕРАТУРА

1 Бадеева Е.А., Мещеряков В.А., Мурашкина Т.И. Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для летательных аппаратов// Датчики и системы. - 2 0 02;

2 Крупкина Т.Ю., И.Н. Баринов Волоконно-оптический датчик избыточного давления аттенюаторного типа// Труды международного симпозиума «Надежность и качество» Том 1. Пенза: ИИЦ 2006 г., с.339-340;

3 Заявка на изобретение № 2005130853 МПК6 001 В 21/00 от 04.10.2005, МПК6 001 В 21/00. Способ измерения микроперемещения и волоконно-оптический преобразователь для его осуществления/ А.Г. Пивкин, Т.И. Мурашки-на, Т.Ю. Крупкина;

4 Оптические аттенюаторы волоконно-оптических преобразователей/ Крупкина Т.Ю., Пивкин А.Г.// Авиакосмическое приборостроение. - 2006. - № 8. - С. 4-7.

5 Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990.