Волоконно-оптический датчик избыточного давления аттенюаторного типа

Крупкина Т.Ю., Баринов И.Н.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ АТТЕНЮАТОРНОГО ТИПА

При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки РФ

Предложено конструктивное решение волоконно-оптического датчика избыточного давления (ВОДИД) атте-нюаторного типа.

Давление является одной из самых важных измеряемых переменных в системах управления и контроля изделиями военно-воздушной техники, промышленности, биомедицинских исследованиях. Оборонная отрасль потребляет большую часть выпускаемых промышленностью датчиков давления.

Разработка волоконно-оптических датчиков физических величин, как отдельное направление оптоэлектроники, существует уже не первое десятилетие. Волоконно-оптические датчики обладают очевидными преимуществами в сравнении с традиционными средствами измерений. К таким преимуществам, в частности, относятся помехозащищённость, закрытость канала, пожарная безопасность, взрывобезопасность, возможность гальванической развязки между объектом измерения и регистрирующей аппаратурой, лучшие массогабаритные характеристики датчика и пассивность измерения.

В статье по результатам анализа ранее разработанных конструкций и расчетов предложено конструктивное решение волоконно-оптического датчика избыточного давления (ВОДИД) аттенюаторного типа.

На рисунке представлен общий вид ВОДИД.

ВОДИД состоит из блока мембранного 1, волоконно-оптического кабеля (ВОК) 2, штуцера 3, корпуса 4 и

5, фотоблока (фотодиоды и светодиод) и розетки 14.

Блок мембранный 1 состоит из корпуса, упругого элемента - мембраны с жестким центром (в качестве

жесткого центра - аттенюатор (шторка)). Мембрана выполнена из сплава 36НХТЮ, корпус и шторка - из ста-

ли 12Х18Н10Т. Шторка крепится к мембране посредством импульсной сварки. Мембрана со шторкой устанавливается в корпус и соединяется с корпусом сваркой. Отверстие в шторке 0 0,5 мм выполняется после установки мембраны в корпусе блока.

Корпус датчика сборный, состоит из двух частей, соединенных между собой с помощью сварки. Корпуса 4 и 5 выполнены из стали 12Х18Н10Т.

Штуцер датчика 3 выполнен из стали 14Х17Н2, устанавливается в корпус датчика. В штуцере датчика протягивают волоконно-оптический кабель. Свободное пространство штуцера заполняется компаундом ВИКСИНТ или герметиком.

Рисунок - Конструкция ВООДИД

Фотоблок представляет собой держатель 11, в который вклеены светодиод 13, рабочий и компенсационный фотодиоды 12. Фотоблок соединен с кабелем посредством наконечника 8. Фотоблок присоединяется к блоку преобразования информации (БПИ) с помощью розетки 14 типа СНЦ 13-10/10 Р-11-В. К контактам розетки

подпаиваются выводы светодиода и фотодиодов. Для исключения механический повреждений предусмотрен колпачок 15.

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.

ВОДИД работает следующим образом. Световой поток Фо от источника излучения (ИИ) по подводящему оптическому волокну (ПОВ) подается в зону измерения. Под действием измеряемого избыточного давления Р мембрана прогибается, шторка перемещается в направлении оси Е. Перемещение шторки вызывает изменение интенсивности светового потока Фо. Световой поток Ф (Р) по двум измерительным каналам поступает по отводящим оптическим волокнам (ООВ) на приемники излучения: Ф1(Р) - ООВ1 - ПИ1 и Ф2(Р) - ООВ2 - ПИ2. Приемники излучения ПИ1 и ПИ2 преобразуют оптические сигналы Ф1(Р) и Ф2(Р) в электрические 11(Р) и 12(Р) соответственно. Данные сигналы поступают на вход БПИ, где происходит операция деление разности и суммы сигналов 11(Р) и 12(Р). Это позволит компенсировать изменение мощности излучения светодиода и неинформативные потери светового потока при изгибах оптических волокон.

По результатам работы следует отметить следующее:

предложенная конструкция проста и надежна, имеет малые габаритные размеры;

имеет дешевую компонентную базу - многомодовые оптические волокна, значит, не ведет к лишним материальным затратам;

реализована дифференциальная схема, что в 2 раза повышает чувствительность преобразования, позволяет добиться линейной функции преобразования;

данный алгоритм преобразования БПИ позволяет снизить потери мощности оптического излучения, обусловленными воздействиями внешних факторов (изменение температуры окружающей среды, деформация кабеля);

представленный датчик может быть использован в системах диспетчерского контроля и управления.