Экспериментальные исследования волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений

УДК 532.217.681.7.068

Экспериментальные исследования волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений

Юрова О.В. - аспирант,

Архипов А.В. - соискатель,

Мышева М.М. - ст. преподаватель,

Мурашкина Т.И. - д.т.н., профессор

ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

Yurova O.V.

Arhipov A.V.

Misheva M.M.

Murashkina T.I.

Приведены результаты экспериментальных исследований нового волоконнооптического преобразователя угловых перемещений (ВОПУП). Дано описание разработанной установки для экспериментального исследования ВОПУП.

The results of experimental studies of a new fiber-optic angular displacement transducer (FOADT). A description of the developed systems for the pilot study of FOADT

Ключевые слова: волоконно-оптический преобразователь, угловое перемещение, измерительная установка, дифференциальное преобразование, отражающая поверхность, световой поток.

Key words: fiber optic transducer, angular displacement, measuring system, differential transformation, reflecting surface, light quantity.

В работе [1] предложено конструктивно-технологическое решение дифференциального волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений (ВОПУП), который является базовым элементом волоконно-оптических датчиков (ВОД) ускорений, силы, давления и др. физических величин (ФВ). ВОПУП преобразует изменение угла наклона отражающих поверхностей модулирующего элемента (МЭ) в изменение интенсивности светового потока.

Постановка задачи: провести экспериментальные исследования для подтверждения теоретических исследований, определения вида функции преобра-

зования I=f(a), диапазона изменения угла а, конструктивных параметров узла юстировки ПОВ, ООВ, МП: расстояния х0 между общим торцом ООВ и ПОВ и МЭ, межцентрового расстояния D между ОВ.

Объект исследований

Объектом исследований является дифференциальный ВОПУП отражательного типа, в котором реализуется дифференциальное преобразование сигналов, конструктивная схема которого рассмотрена в работе [1] (рисунок 1).

а - при а=0°, б - при а=3°

Рисунок 1 - Расчетная схема дифференциального ВОПУП

Подводящие (ПОВ) и отводящие (ООВ) оптические волокна в ВОПУП расположены относительно отражающих поверхностей МЭ на равном расстоянии и соосно относительно друг друга. МЭ, воспринимающий измеряемую ФВ, выполнен в виде металлической пластины (МП), имеющей зеркальные внешние поверхности. С двух сторон МП расположены оптические волокна первого и второго измерительных каналов, причем ПОВ 1 первого измерительного канала расположены соосно с ООВ2 второго измерительного канала и, наоборот, ПОВ2 второго измерительного канала расположены соосно с ООВ1 первого измерительного канала. Ширина и длина МП выбираются таким образом, чтобы размеры светового пятна в диапазоне измерения не превышали размеров пластины. Если ОВ имеют диаметр сердцевины ^с=0,2 мм, внешний диаметр -

dOB=0,5 мм, тогда расчетные значения МП: ширина - 3 мм, толщина - 0,2 мм, длина - 20 мм, расстояния D=0,7 мм, х0=1,5 мм [1].

Оптическая схема ВОПУП имеет конструктивные параметры, которые обеспечивают выполнение следующих требований:

- в отсутствии воздействия измеряемой ФВ световое излучение, выходящее из торцов ПОВ1 и ПОВ2, после отражения от зеркальных поверхностей МП должно распределяться таким образом, что площадь перекрытия светового пятна и приемных торцов ООВ1 и ООВ2 равна половине площади приемных торцов волокон (рисунок 1 а);

- при воздействии ФВ на МП должно происходить угловое перемещение МП на угол а и, соответственно, изменение площади перекрытия светового пятна и приемных торцов ООВ1 и ООВ2;

- отклонение МП на максимальный угол (3°) вправо приводит к полному перекрытию площади приемного торца ООВ1 отраженным от МП световым потоком, а на приемный торец ООВ2 световой поток поступать не будет (рисунок 1 б).

Аналогичные процессы происходят при отклонении МП на максимальный угол (3°) влево.

Принцип действия установки для воспроизведения углового

перемещения

Установка для экспериментальных исследований состоит из оптического тестера, волоконно-оптического кабеля, установки для воспроизведения углового перемещения УВУП (рисунки 2, 3).

ВОПУП предназначен для бесконтактного преобразования изменения угла наклона МЭ в изменение амплитуды постоянного тока.

ДВОПУП предназначена для задания угла наклона (смещения от вертикально положения) МЭ в диапазоне 0.. .3°.

Рисунок 2 - Фотография установки для экспериментального исследования ДВОПУП

1 - металлическая пластина 9

2 - державка 10

3 - основание 11

4 - призма (шарнир) 12

5 - стойка 13

6 - наконечник 14

7 - винт-стойка 15

8 - гайка регулировочная 16

пружина;

наконечник микрометрического винта

двушкальный механизм

втулка

рабочий жгут ПОВ и ООВ кабель

винт крепления наконечника корпус

Рисунок 3 - Схема установки для экспериментального исследования ДВОПУП

Установка содержит жгут ПОВ и ООВ 13, рабочие концы 12 которого закреплены в наконечниках 4, фиксируемых винтами 15 в стойке 5 симметрично относительно металлической пластинки 1, имеющей зеркально отполированные внешние поверхности. МП жестко крепится при помощи пайки в державке 2.

Угол задается с помощью системы задания угла, в которую входят: двушкальный механизм 11 микрометрического винта, имеющий сферический наконечник 10, винт-стойка 7, регулировочная гайка 8, пружина 9, державка 2, расположенная на расстоянии х1 относительно основания 3, шарнир 4. Шарнир 4 выполнен из искусственного рубина в виде призмы и крепится в основание 3 клеем. Двушкальный механизм 11 установлен в крышке корпуса 16.

Так как используется микрометрический винт необходимо провести сопоставление перемещений в мкм (Н) с отклонением от вертикали в градусах (а) (таблица 1).

Таблица 1 - Соответствие перемещения угловому перемещению

Н, мкм 0 0,261 0,525 0,768 1,047 1,308 1,569 1,83 2,094 2,355 2,616

а град 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Конструкция установки обеспечивает воспроизведение угловых перемещений МП в диапазоне ±5 градусов в обе стороны от вертикального положения.

Ограничителем перемещения является расстояние х1: x1=A1 sin а, где А1 -0,5 длины державки 2; а - максимальный угол отклонения, равный 5°.

При установке МП 1 в державку 2 необходимо обеспечить: первое -строгую перпендикулярность их плоскостей; второе - параллельность отражающих плоскостей МП и оси качания державки. Выполнение этих требований достигается перпендикулярностью осей оптических волокон и отражающих плоскостей МП. Для этого установка МП в державку выполняется с помощью специально изготовленного приспособления - кондуктора. Чтобы обеспечить начальное расстояние, например х0=1,5 мм, необходимо установить с обеих сторон МП однозначные меры в виде пластины номиналом 1,5 мм [1] и подвести к ним вплотную наконечники с оптическими волокнами. При этом выходные сигналы фотодиодов, пристыкованных к ООВ, должны

быть минимальными (числовое значение определяется экспериментальным путем для конкретного образца ВОПУП). Если значения сигналов на выходе будут минимальными, то начальное расстояние х0=1,5 мм между МП и торцами оптических волокон соответствует расчетному значению. Это положение МП определяет точку начала отсчета при измерениях.

Установка работает следующим образом.

С помощью двушкального механизма 11 задается угловое перемещение МП. Пружина сжатия 9, установленная на расстоянии А от центра державки 2, препятствует свободному перемещению её противоположного конца. В нулевом положении при отсутствии угла наклона МП лучи света от ПОВ1 и ПОВ2 под апертурным углом 0^ к оптической оси волокна проходят в прямом направлении путь х0 до отражающей плоскости МП и путь х0 в обратном направлении к ООВ1 и ООВ2, расположенным в рабочих жгутах 12 (см. рисунок 1). При этом в плоскости приемных торцов ООВ1 и ООВ2 наблюдается освещенная кольцевая зона шириной h=rC, где rC - радиус сердцевины оптического волокна.

Подпружиненная державка с МП в центре отклоняется при помощи системы задания угла на угол а в одну или другую сторону относительно нулевого положения, изменяя световые потоки, падающие на плоскости торцов ООВ1 и ООВ2 после отражения зеркальными поверхностями МП. Кольцевая зона преобразуется в эллипсоидную, которая смещается относительно ООВ1 и ООВ2 в направлении Z [1]. При этом изменяются площади 5'ПР1 и 5'ПР2 приемных торцов ООВ1 и ООВ2, освещенные отраженными от зеркал световыми потоками. После чего происходит дальнейшее преобразование выходного оптического сигнала в токовый сигнал

Схема экспериментальных исследований

На рисунке 4 представлена схема экспериментальных исследований. Установка для экспериментальных исследований содержит оптический тестер, волоконно-оптический кабель, УВУП. В схеме оптического тестера предусмотрены два приемника излучения (фотодиода) для обеспечения дифференциальной

схемы.

УВУП - установка для воспроизведения ВОК - волоконно-оптический кабель

углового перемещения

ПОВ1, ПОВ2 - подводящие оптические волокна ФД - фотодиод

ООВ1, ООВ2 - отводящие оптические волокна СД - светодиод

Рисунок 4 - Схема экспериментальных исследований

Оптический тестер содержит источник излучения (инфракрасный светодиод типа 3Л107Б) с регулируемой мощностью излучения, два фотоприемных канала (фотодиоды с усилителями), блок обработки информации (программируемый микроконтроллер), цифровой индикатор и блок питания. На передней панели тестера расположены три кнопки: первая кнопка позволяет скомпенсировать начальные напряжения смещения фотоприемных каналов («Уст. 0»); вторая кнопка - выбор режима обработки информации; третья кнопка выключает отображение номера выбранного режима обработки информации.

Ток, проходящий через светодиод, может принимать три значения - 0; 50; 80 нА, выбираемые при помощи тумблера: «Уст. 0» - для компенсирования начальных напряжений смещения фотоприемных каналов (установка нуля), «50 нА» и «80 нА» - для проведения измерения. Используемые фотодиоды типа ФД256 работают в фотогальваническом режиме, что обеспечивает низкий уровень собственных шумов. Они подключены к преобразователю «ток-напряжение», обеспечивающему близкое к нулю напряжение смещения (равно исм операционного усилителя) и малое (близкое к нулю) сопротивление нагрузки фотодиода. Это позволяет получить высокую линейность функции преобра-

зования фотоприемных каналов в диапазоне изменения интенсивности принимаемого оптического сигнала от 0 до 106 нА.

Максимальный выходной сигнал фотопреобразователей - 5 В, определяется АЦП, встроенным в микроконтроллер типа Р1С16Е873/8Р. В соответствии с программой микроконтроллер обеспечивает три режима обработки информации:

- в первом режиме на цифровом индикаторе отображаются цифровые значения сигналов обоих каналов (I1 и I2);

- во втором режиме отображается отношение этих сигналов (I1/ I 2);

- в третьем режиме отображается результат вычислений по формуле

(I 1- I 2)/( І1 + I 2).

Микроконтроллер при необходимости позволяет скомпенсировать начальные напряжения смещения фотоприемных каналов. При выключенном источнике излучения нажимается кнопка «Уст. 0». Контроллер запоминает значения напряжений, имеющихся в этот момент на выходах фотоприемных каналов, и автоматически учитывает их при дальнейшей работе.

Результаты экспериментальных исследований

Проведены экспериментальные исследования, позволившие получить графическое представление зависимости фототока от перемещения микровинта (рисунок 5).

Рисунок 5 - Графические зависимости фототока от перемещения микровинта

В таблице 2 и на рисунке 6 представлены экспериментально полученные результаты зависимости значения фототока от углового перемещения.

Таблица 2 - Результаты эксперимента

h 0 0,261 0,525 0,768 1,047 1,308 1,569 1,83 2,094 2,355 2,616

а 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

по часовой

I1 первого канала, нА 0,21 0,18 0,16 0,14 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06

I2 второго канала, нА 0,22 0,24 0,25 0,32 0,35 0,38 0,37 0,27 0,13 0,06 0,03

против часовой

I\ первого канала, нА 0,21 0,24 0,27 0,3 0,34 0,37 0,4 0,4 0,3 0,19 0,1

I2 второго канала, нА 0,22 0,2 0,17 0,15 0,13 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06

Рисунок 6 - Графические зависимости фототока от перемещения микровинта

Заключение. Полученные экспериментальные данные подтвердили теоретические положения реализуемости дифференциальной схемы преобразования оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительной информации в ВОПУП отражательного типа, позволили определить оптимальные конструктивно-технологические параметры оптической системы ВОПУП: а=±3°, х0=1,5 мм, D=0,7 мм, необходимые для получения максимальной чувствительности преобразования оптических сигналов.

Литература:

1 Дифференциальный волоконно-оптический преобразователь угловых перемещений / Е.А. Бадеева, А.С. Щевелев, О.В. Юрова, Ю.Макаров //Современная электроника.-2010.-№ 8.—С. 11—13 .

2 Мурашкина Т.И. Теория, расчет и проектирование волоконно-оптических измерительных приборов и систем / Учебное пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - 133 с.

Авторы:

Юрова Ольга Викторовна - аспирант кафедры «Приборостроение» Пензенского государственного университета, г. Пенза, ул. Красная, 40, тел.: (8412)36-84-59,

olyura55@rambler.ru

Архипов Андрей Владимирович - соискатель кафедры «Приборостроение» Пензенского государственного университета г. Пенза, ул. Красная, 40, тел.: (8412)36-80-89,

timurashkina.pgu@mail.ru

Мышева Мария Михайловна - старший преподаватель кафедры «Приборостроение» Пензенского государственного университета, г. Пенза, ул. Красная, 40, тел.: (8412)36-80-89,

olyura55@rambler.ru

Мурашкина Татьяна Ивановна - д.т.н., профессор кафедры «Приборостроение» Пензенского государственного университета, г. Пенза, ул. Красная, 40, тел.: (8412)36-84-59,

timurashkina.pgu@mail.ru