Дифференциальный волоконно-оптический вибродатчик

Зуев В.Д., Голубинский Ю. М., Волков В.С. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ВИБРОДАТЧИК

Предложено конструктивное решение дифференциального волоконно-оптического вибродатчика (ВОВД), отличающееся простотой изготовления, улучшенными метрологическими характеристиками.

Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров вибраций, ударов и шумов. Практически нет ни одного объекта контроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействие вибрационных, ударных или акустических нагрузок. Исследования колебательных процессов представляют большой интерес для многих отраслей народного хозяйства - в полупроводниковой электронике (контроль вибрации установок для выращивания кристаллов), в микроэлектронике (вибрация установок фотолитографии), в машиностроении (вибрация станков и биение деталей), в автомобильной промышленности (контроль вибрации отдельных узлов автомобилей и всего автомобиля в целом), на железнодорожном транспорте (датчики приближения поезда), в энергетике (контроль вибрации лопаток газовых турбин), в авиастроении (контроль биений турбин) и т.д. Интенсивно изучаются землетрясения, представляющие собой эпизодические колебания, вызванные освобождением потенциальной энергии упругих деформаций земной коры, происходящих в момент её разрывов в местах концентрации напряжений. Тщательно контролируются вращающиеся или перемещающиеся в различных направлениях с большой скоростью узлы и механизмы крупных сооружений и агрегатов, такие как: электрогенераторы тепла и гидростанции, гребные винты кораблей, авиационные и ракетные двигатели и тому подобное, являющиеся источником возникновения интенсивных периодических и непериодических вибрационных процессов. Особую опасность представляют колебания, возникающие на резонансных частотах упругих конструкций. Возникающие при вибрациях и ударах инерционные силы могут вызвать напряжения, превышающие предел прочности конструкции, или относительные перемещения деталей в недопустимых пределах. Из-за вибраций значительно снижается срок службы оборудования, ухудшается качество его работы. Вибрационные процессы могут служить источником информации для диагностики машин и механизмов как средство раннего обнаружения их неисправности. Данный список можно продолжать достаточно долго, что говорит о необходимости создания высокоточных вибродатчиков.

Авторами предлагается один из вариантов нового конструктивного решения дифференциального ВОВД на базе волоконно-оптического преобразователя перемещения в виде подводящих (ПОВ) и отводящих оптических волокон (ООВ), между которыми под действием вибрации перемещается модулирующий элемент, представляющий собой шаровую линзу (ШЛ) (рисунок 1).

Рисунок 1 - Геометрическое построение к расчету волоконно-оптического преобразователя перемещения

с шаровой линзой

Расстояние от торца подводящего оптического волокна (ПОВ) до поверхности шарообразной линзы находится как:

Ч = Sf -10 ,

где ^ - диаметр сердцевины оптического волокна;

_

Ч

0 tgNA

Sf =\-А - ГЛ ,

где ©^ - апертурный угол оптического волокна; тл - радиус шарообразной линзы;

у = ПЛ ГЛ

2 (пЛ -1) ,

где пл - коэффициент преломления шарообразной линзы.

Для луча 2 необходимо учесть его смещение вдоль оси X на расстояние И =

2tg0A

от точки, из

которой исходит второй луч. Из АЛВО : ВО = гл , АО = —f . Учитывая теорему синусов, имеем: ътф

sin в NA

откуда

ф = arcsin ^ f sin na j , a_ Igo _ф .

В соответствии с законом Снеллиуса пв sina = пл sinß , пл sinß = пв sin^ .

С учетом перемещения линзы по оси Х:

пл (/ ± X¡ )sin ли sin у =-------------------------------- , Sin у2 = -

/ ± X-

2tg0N

sin 0,

где Х1 - смещение шарообразной линзы по оси Х. Расстояние от поверхности шарообразной линзы

до торца отводящих оптических волокон (ООВ) находится как:

l2 =S/ l3 , l3

0,5d„

tg0BbX

Из ADCO : CO = гл , DO = / .

Учитывая теорему синусов, имеем:

ГЛ _ f

sin 0Е

(sin(180 - у)гЛ

------, т = 180 -у, 0^¡x= arcsin I-------------- ---------- —

sin 1 /

Из формулы приведения sin(180 — у) = siny .

0 ВЫХ1 = arcsin

nЛІ 2(ПЛ—1) ±X|sin0"

пЛ ГЛ

2

, 0в

2

± X -

2tg0 N

sin 0Д

2

В случае перемещения линзы по оси Ъ относительно оптических волокон рассматривается эквивалентное смещение луча относительно линзы перпендикулярно оптической оси на величину: 2,. = х^ш

Рисунок 2 - Геометрические построения к определения расположения ООВ Расстояние между оптической осью и осью ООВ определяется как:

В = Ч5*£©ВЫХ , Ч5 = /(Х) — Ч4 , /‘(X) = f — Х1 * Из АОЕ : ОЕ = гл .

Учитывая теорему синусов, имеем:

h

sin( x) sin 0ВЬЖ

Получим:

(

! гл sin

sin 0иіпг

D =

2

± X,. — -

sin 0

ВЫХ

tg0

ВЫХ

При проектировании пружины сначала выбираем материал и в соответствии с условиями работы назначаем допускаемое напряжение (или коэффициент запаса). Затем из расчета на прочность и жесткость определяем размеры пружины:

r

л

Г

л

Г

_РҐ_ ' 3EJV

4№

’ EBh3

где О - рабочий прогиб, Р - рабочая нагрузка, 1 - длины пружины, Е - модуль упругости, Jx -момент инерции поперечного сечения, В - изгибная жесткость, Ь - высота сечения (толщина пружины).

Р1 6Р1

где <7Ш1Х - максимальное напряжение; №х - момент сопротивления сечения; Ь - ширина пружины;

- допускаемое напряжение.

Предположим, заданы рабочий прогиб О и рабочая нагрузка Р (рис. 3); модуль упругости Е и допускаемое напряжение предопределены свойствами выбранного материала. Тогда получим:

,-4Р (Г3

оЕ ^ к,

6Р I

Ь =-і

Ьh = -

[СТ] h

Рисунок 3 - Геометрические построения к определению размеров пружины

Результат решения задачи проектирования не однозначен: заданным требованиям в отношении жест-

кости и прочности могут удовлетворять пружины разных геометрических размеров. Окончательный выбор наиболее подходящего варианта упругого элемента осуществляется в зависимости от других факторов: габаритных размеров, технологичности, жесткости в боковом направлении и т.п.

I

В рассматриваемом случае, задав соотношение —, можно найти по формуле (2) ширину Ь, по форму-

ле (3) - высоту Ь сечения, а из соотношения

к

- длину 1.

Выбрав новое отношение

получим новые геометрические размеры пружины. Таким образом, можно

получить несколько типов пружин одинаковой прочности и жесткости, из которых необходимо выбрать пружину, наиболее подходящую к данной конструкции датчика. Размеры пружины, полученные расчетным путем, округляют в соответствии с сортаментом лент из пружинных сталей.

На рисунке 4 представлен общий вид разработанного дифференциального ВОВД.

Рисунок 4 - Общий вид дифференциального ВОВД

Дифференциальный ВОВД состоит из шарообразной линзы 1, закрепленной на упругих подвесах 2, устанавленных в корпусе 4 при помощи крышки 3 и крепежей 5; волоконно-оптического кабеля 8, содержащего ПОВ (пучок 1), ООВ (пучок 2), которые жестко закреплены в наконечниках 7 на расстоянии 1 и 11 относительно ШЛ; втулки 6; фотоблока (фотодиоды 10 и светодиод 9).

В качестве упругих подвесов используется плоская пружина с отверстием, обладающая более высокой чувствительностью к нагрузкам по сравнению с упругими подвесами других типов. Так как дифференциальный ВОВД работает при переменных напряжениях, в широком температурном диапазоне с циклическим изменением температуры окружающей среды, то упругий подвес выполнен из стали 3 6НХТЮ, наиболее полно удовлетворяющей этим и ряду других условий.

ПОВ, ШЛ, ООВ расположены на одной оптической оси. Полость А между корпусом 4 и крышкой 3 заливается герметикой, тем самым обеспечивается неподвижность волокон.

Фотоблок представляет собой держатель 11, в который вклеены светодиод 9, фотодиоды 10. Фотоблок присоединяется к блоку преобразования информации (БПИ) с помощью розетки 12 типа СНЦ13-10/10 Р-11-В. К контактам розетки подпаиваются выводы светодиода и фотодиодов. Для исключения

механический повреждений предусмотрен колпачок 13.

Структурная схема дифференциального ВОВД приведена на рисунке 5.

БП - блок питания; ПТН1, ПТН2 - преобразователи "фототок-напряжение";

ИИ - источник излучения; ДН - делитель напряжения;

УЮ1, УЮ2, УЮ3 - узлы юстировки; МП - масштабный преобразователь;

ОР1, ОР2, ОР 3- оптические разъемы; БПИ - блок преобразования;

ПОВ - подводящее оптическое волокно; ОЭБ - оптоэлектронный блок;

ОЧЭ - оптический чувствительный элемент; ВОК - волоконно-оптический кабель;

ООВ1, ООВ2 - отводящие оптические волокна; ВОП - волоконно-оптический преобразователь

ПИ1, ПИ2 - приемники излучения

Рисунок 5 - Структурная схема дифференциального ВОВД

Принцип действия дифференциального ВОВД заключается в следующем. Электрический сигнал Од, поступающий на вход оптоэлектронного блока вибродатчика, преобразуется с помощью электрооптического преобразователя ИИ в оптический сигнал Фо, по ПОВ подается в зону измерения., т.е. на оптический чувствительный элемент. Под действием вибрации происходит перемещение шарообразной линзы и изменение интенсивности сигнала Фо. Световые потоки Ф1 (а) и Ф2 (а), прошедшие через шарообразную линзу, которая перемещается под действием вибрации, по ООВ первого и второго измерительных каналов соответственно поступают на приемники излучения ПИ1 и ПИ2 также первого и второго измерительных каналов соответственно через оптический разъем ОР1 и ОР2, где преобразуются в эквивалентный фототок Х1 (а) и 12 (а), который в последствии преобразуется в напряжение О1 (а) и 02 (а) с помощью преобразователей "фототок-напряжение" первого и второго измерительных каналов соответственно, здесь же

О1 (а) и О2 (а) усиливаются до необходимой величины.

Таким образом, на выходе ПТН1 и ПТН2 получается напряжение, по амплитуде которого можно судить

о наличии вибрации в зоне измерения.

Таким образом происходят следующие преобразования:

Рисунок 6

Заключение

1 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.

2 Так как в конструкции датчика используется дифференциальная схема управления световым потоком, то:

- за счет суммирования нескольких световых потоков (по количеству ООВ) увеличена чувствительность преобразования,

- получена линейная функция преобразования,

- снижены погрешности, обусловленные:

1) изменением мощности источника излучения, чувствительности приемников излучения при изменении температуры окружающей среды;

2) зависимостью механических свойств упругого подвеса от температуры окружающей среды;

3) изгибами оптических волокон под воздействием внешних дестабилизирующих факторов.

Литература

1. Бадеева Е.А., Гориш А.В., Котов А.Н., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. - М.: МГУЛ, 2004. -246 с.

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.