Некоторые способы снижения основной погрешности волоконно-оптических датчиков

торец шасси. При большом числе выводов можно ввести заднюю стенку. Для крепления системы печатных узлов применяют направляющие стойки. Конструкция удобна как для установки крупных конструктивов неодинаковых габаритов, так и для размещения модулей, вынимающихся вверх или со стороны лицевой панели (рисунок 13). Область применения - некрупные врубные конструкции, моноблоки приборной аппаратуры. НК с шасси пригодна как для серийного, так и для индивидуального производства.

1

Рисунок 12 - НК комбинированного типа «шасси панель»: 1 - шасси; 2 - панель лицевая; 3 -косынки

Рисунок 13 - НК с выемными модулями

отсутствует). Модули стягиваются общими винтами или защёлками, закрываются общим кожухом. Модули должны быть так подогнаны друг к другу, чтобы получилась жёсткая единая конструкция (рисунок 14). Область применения - измерительная аппаратура. Бескаркасные комбинации печатных узлов могут быть также использованы в рамках какой-либо панельной конструкции. Лицевая панель как конструктив здесь, как правило, отсутствует. Она входит либо в состав одного из конструктивов, либо заменяется "фальш-панелью", т.е. планкой с надписями, поясняющими название органов управления, закреплённых в разных конструктивах, но при сборке оказывающихся в одной передней плоскости.

Тип кассетной конструкции (КК) по месту установки блока задаётся, тип НК по способу образования объёма выбирается.

Унифицированные несущие конструкции. В ряде отраслей отечественной промышленности в целях улучшения отраслевой организации производства, его специализации, сокращения сроков проектирования РЭС и освоения их в серийном производстве предложены так называемые унифицированные несущие конструкции (УНК). Они же называются базовыми (БНК), если на базе типового решения изготавливается целый типоразмерный ряд разновидностей. В рамках отрасли организуется централизованное изготовление и поставка заготовок. В качестве унифицированной обычно выбирают хорошо продуманную, высокотехнологичную и экономичную конструкцию, например, показанную на рисунке 15. Каждая отрасль имеет свою систему УНК (БНК). Материал по УНК, а также принципы составления типоразмерных рядов даются в лекционном курсе на примере одной из отраслей.

Рисунок 15 - Унифицированная несущая конструкция

На производстве применение БНК сложностей не

Рисунок 14 - Бескаркасная конструкция вызывает и регламентируется отраслевыми орматив-

Бескаркасные НК ориентированы на соединение ными документами (отраслевыми стандартами) или

друг с другом конструктивно законченных модулей Г°сударственными стандартами (Г°СТ). (т.е. несущая конструкция у них, как таковая,

ЛИТЕРАТУРА

1. Андреев, П. Г. Основы проектирования электронных средств [Текст] : учеб. пособие / П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. - 124 с.

2. Андреев, П. Г. Определение комплексного коэффициента отражения электромагнитных волн внутри помещений / П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова // Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2013. - Т. 2. - с. 5 - 6.

3. Кольтюков, Н. А. Проектирование несущих конструкций радиоэлектронных средств : учебное пособие / Н.А. Кольтюков, О.А. Белоусов. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. - 84 с.

УДК 621.396

^рашкина1 Т.И., Бадеева1 Е.А., Юрова1 О.В., Разживина2 Г.П,

1ФГОБУ ВО Пензенский государственный университет, Пенза, Россия 2ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

НЕКОТОРЫЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ОСНОВНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

При финансовой поддержке в форме гранта РФФИ, Основная погрешность является одной из основных метрологических характеристик средств изменений. Существенную часть данной погрешности составляет погрешность линейности - систематическая погрешность, обусловленная отличием реальной и линейной функций преобразования из-за не-

проект 15-08-02675 линейных эффектов в цепи преобразования сигналов. Причинами данной погрешности могут быть конструктивное, технологическое или схемное несовершенство средства измерений и нелинейные искажения функции преобразования. Поэтому стоит задача снижения погрешности линейности при про-

ектировании средств измерений. Аналогичная задача решается при разработке волоконно-оптических датчиков, основным элементом которых являются волоконно-оптические преобразователи (ВОП) c различными модулирующими элементами: отражающей поверхностью, аттенюаторами, шаровой и цилиндрической линзами (рисунки 1-6) [1].

Рассмотрим пример решения данной проблемы для ВОП микроперемещений (ВОПМП) с открытым оптическим каналом с предельным аттенюатором (рисунки

аттенюатор

1 и 3) [2]. Аттенюатор может быть прямоугольным, с квадратным или круглым отверстием [3]. При перемещении аттенюатора под действием измеряемой физической величины (избыточного давления, разности давлений, силы, деформации и др.), происходит смещение отверстия относительно оптической оси подводящего оптического волокна (ПОВ), соответственно изменяется площадь Sпp засветки отводящего оптического волокна (ООВ) и коэффициент преобразования К^) ВОПМП [2].

ПОВ

А

Ф^)

¿ОВ

Рисунок 1 - ВОПМП аттенюатором

при Z=Z/

прямоугольным предельным

ОсновОйновОйновОойювОаю^

Перемещение аттенюатора г, мкм

Рисунок 2 - Графики зависимостей Sпp=f(Z) для ВОПМП с прямоугольным предельным аттенюатором

* Рш=180 мкм

.^н^Х^внА^

Л Н=2гс

при Z = 0

\л ^Т/— ---при Z = 71

Основной

Р|П= '00 м

220 м

0сн0вмс(1в1мс(£в1мс(£внсс£внсс£внсс£внсс1всих1всих1вс1с(йвн(

Перемещение экрана, Ъ, мм

Рисунок 3 - ВОПМП с круглым отверстием

предельным аттенюатором с

Рисунок 4 -

аттенюатора

мкм

Графики зависимостей Sz=f(Z) с круглым отверстием, при dc =

для

200

Рисунок 5 - ВОПМП с цилиндрической линзой

Рисунок 6 - Графики зависимостей Sz=f(Z) для цилиндрической линзы гл=1,5 мм, при dc = 2 00 мкм

Ф

ПОВ

Ф

7

На рисунке 2 приведены графики зависимости Sпp=f(Z) для ВОПМП с прямоугольным предельным аттенюатором, перемещающимся в направлении Z диапазоне 0...200 мкм, в котором используются оптические волокна (ОВ) с параметрами: диаметр сердцевины dc=200 мкм, апертурный угол ©т=12 градусов [2, 3].

Зависимость нелинейная. Существенная нелинейность наблюдается на участках 0...50, 150...200 мкм. Это объясняется тем, что в начале и в конце диапазона смещения оптического пятна Zmin...Zmax относительно поверхности приемного торца ООВ (равный 0..^) площадь перекрытия изменяется существенно ввиду круглого профиля сердцевины оптического волокна (ОВ) [4] (рисунок 7).

Рисунок 7

Графические построения для определения площади перекрытия световым пятном в области торца ООВ

Разработано несколько способов снижения погрешности линейности.

В первом способе предлагается изменять расстояние между ОВ и аттенюатором или отражающей поверхностью [4].

На рисунке 8 приведены зависимости К^) для ВОПМП с предельным прямоугольным аттенюатором при разных значения расстояния Х между ОВ и поверхностью аттенюатора.

K{Z) 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05

т=т

У /

/ £

У £

jS 4 ф л —Х=0,8мм —*-Х=0,9мм —♦—Х=0,7мм

—

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Z. мкм

Рисунок 8 - Зависимости К^) для ВОПМП с предельным прямоугольным аттенюатором при различных Х между ОВ аттенюатором

Относительное изменение интенсивности светового потока Ф/Фo=f(Z) в диапазоне измерения будет носить аналогичный характер.

Зависимости нелинейные. Существенная нелинейность наблюдается на участках 0...50, 150...200 мкм. Изменяя расстояние Х, можно изменять линейность зависимости К^). Например, для ВОПМП с ОВ с параметрами: dc=200 мкм, ©т=12 градусов определено, что при Х=0,7 мм чувствительность преобразования в 1,5 раза выше, чем при Х=0,9 мм. Одновременно зависимость К=f(Z) при Х=0,7 мм более линейная, чем при Х=0,9 мм. Следовательно, для снижения погрешности линейности необходимо, чтобы Х^1,5dc.

Во втором способе предлагается ограничить диапазон перемещения аттенюатора, так чтобы он лежал в пределах 0,25dc...0,75dc, где dc=2rc, то есть был равен 0,5dc. Таким образом, чтобы снизить погрешность линейности необходимо, чтобы Zmin... Zmax = (0, 25...0, 75^с

В ВОП аттенюаторного типа данный диапазон обеспечивается:

- перемещением аттенюатора, который, в свою очередь, определяется конструктивно-технологическими параметрами аттенюатора;

- расстояниями между излучающим торцом ПОВ и аттенюатором и между аттенюатором и приемными торцами ООВ1 и ООВ2;

- расстоянием между ОВ и отражающей поверхностью аттенюатора и шириной отражающей полосы аттенюатора (для ВОПМП с отражательным аттенюатором [3]).

Третий способ заключается в изменении значения радиуса отверстия аттенюатора Rat в процессе проектирования (для ВОПМП с предельным аттенюатором) [4].

На рисунке 4 приведены расчетные зависимости Snp=f(Z) для перемещения аттенюатора с круглым отверстием в диапазоне 0...200 мкм при rc=100 мкм и Rat= 180, 200, 220 мкм.

Максимальное отклонение от линейной линии регрессии равно 2200, 1700, 1600 мкм2 соответственно.

Как видно из графика погрешность линейности минимальна при Rat=200 мкм. Для заданных условий данное значение совпадает с диаметром сердцевины

оптического волокна, то есть погрешность линей- изменить конструктивно-технологические пара-

ности минимальна, когда кат=го. метры линзы, а именно варьировать значения ее

В четвертом случае рассмотрим ВОПМП с моду- диаметра и длины, а также менять материал цилин-

лирующим элементом в виде цилиндрической линзы дрической линзы (коэффициент преломления). (см. рисунок 5)[5]. Заключение. Таким образом, снижения основной

На рисунке 6 представлена выходная характе- погрешности можно добиться снижением погрешности

ристика для ВОПМП, в котором модулирующий эле- линейности зависимости К=f(Z) ВОПМП несколькими

мент в виде цилиндрической линзы перемещается способами:

перпендикулярно оптической оси, на которой рас- - путем отсечения нелинейных участков функции

положены ПОВ и одно ООВ. Перемещение осуществ- преобразования путем варьирования конструктив-

ляется в пределах от минус 200 до 200 мкм, в ных параметров ВОПМП;

котором используются ОВ с параметрами: dс=200 - изменением расстояния между оптическими во-

мкм, апертурный угол ©ыд=12 градусов. локнами и модулирующим элементом;

Как видно из графика, наименьшая погрешность - изменением конструктивных параметров моду-

линейности наблюдается на участке от минус 50 до лирующего элемента;

50 мкм. Линейность достигается путем отсечения - точной юстировкой элементов оптической си-

нелинейных участков (см. второй способ). Также стемы в процессе В°ПМП. для линеаризации выходной зависимости необходимо

ЛИТЕРАТУРА

1. Разработка теории распределения светового потока в оптической системе волоконно-оптических преобразователей физических величин отражательного типа: Монография / Бадеева Е.А., Коломиец Л.Н., Кривулин Н.П., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г./ИИЦ ПГУ, 2008 - 85 с./ Под общ. ред. Профессора Мурашкиной Т.И.

2. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография// Е.А. Бадеева, А.В. Гориш, Т.И. Мурашкина и [др.] - М.: МГУЛ, 2004. -246 с.

3. Пивкин А. Г., Мурашкина Т. И. Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для ракетной техники: Монография. - Пенза: изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 150 с.

4. Волоконно-оптические датчики ускорений с цилиндрическими линзами, разработанные в НТЦ «Нано-технологии волоконно-оптических систем» Пензенского государственного университета/ Т.И. Мурашкина, Е.А. Бадеева, А.В. Бадеев и [др.]//Сборник трудов 1Х-ой Межд. конф. молодых ученых и специалистов «Оптика-2015»/Под ред. проф. В.Г.Беспалова, проф. С.А. Козлова. - СПб: Университет ИТМО, 2015. -717 с. - 513-515

5. Вывод функции преобразования аттенюаторных волоконно-оптических датчиков разности давле-ний/И.С. Рубцов, А.В. Гориш, Т.И. Мурашкина, М.М. Савочкина // Надежность и качество - 2015 : Труды Международного симпозиума: в 2 т. под ред. Н. К. Юркова. — Пенза : Изд-во Пенз. ГУ, 2015. - 2 том

- 387 с.- С. 69-73

6. Моделирование физических процессов в волоконно-оптическом преобразователе перемещений с цилиндрической линзой / А.С. Щевелев, А.Ю. Логинов, Т.И. Мурашкина // Тр. Междунар. симп.- Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010. - Т. 1. - С. 116-117.

УДК 621.396 Шачнева Е.А.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» (ПГУ), Пенза

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РАСХОДА И ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОСТНЫХ СРЕД

Проблема контроля параметров жидкости, таких как давление жидкости, сила потока и объема существовала давно, но с приходом новых, современных высокотехнологических датчиков и систем мониторинга, она была частично решена. В то же время необходимость получения наиболее достоверных сведений об этих параметрах, поиск новых конструктивно-технологических решений, с помощью которых процесс установки и эксплуатации датчика станет наиболее простым и удобным, все еще существует [1].

На данный момент в различных отраслях техники возникает необходимость в усовершенствовании имеющихся средств измерений параметров жидкостных сред [2].

Для решения данной проблемы авторами был разработан волоконно-оптический датчик для информационно-измерительной системы расхода жидкости. Основными преимуществами датчика является высокая точность измерения, возможность распо-

ложения источника излучения на далеком расстоянии от зоны измерения почти без искажения сигнала, что способствует повышению безопасности их использования [2].

Разрабатываемый волоконно-оптический датчик позволит решить задачи мониторинга параметров жидкости в трубопроводе (давления, силы и скорости жидкостей) в условиях воздействия сильных электромагнитных помех, наводимых электромагнитным оборудованием, входящим в состав гидросистем. Материал датчика позволяет его использование в любой агрессивной среде (в том числе, в морской воде), также данный датчик легко устанавливается на трубопровод, не требует калибровки в месте установки, срок службы без поверки и обслуживания не менее 15 лет [2].

Рассмотрим более подробно информационно-измерительную систему расхода жидкости. Обобщенная структурная схема информационно-измерительной системы расхода жидкости представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема системы контроля жидкости с применением волоконно-оптического датчика расхода жидкости: ВОДР - волоконно-оптический датчик расхода жидкости, УБП -универсальный блок преобразования; АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ - электронно-

вычислительная машина.