Волоконно-оптический датчик избыточного давления отражательного типа. Описание конструкции. Принцип действия

Крупкина Т.Ю. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки РФ

Предложена новая конструкция и процесс сборки волоконно-оптического датчика давления отражательного типа. Предлагаемый датчик может быть использован для измерения больших давлений в диапазоне температур ± 100 оС на изделиях ракетно-космической техники, не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.

По результатам анализа ранее разработанных конструкций и расчетов предложено конструктивное решение волоконно-оптического датчика избыточного давления (ВОДИД) отражательного типа. За основу была взята конструкция ВОДИД аттенюаторного типа. Недостатком устройства ВОДИД данного типа является низкая чувствительность преобразования из-за потерь светового потока в процессе передачи от подводящих оптических волокон к отводящим. Кроме того, расположение оптических волокон с двух сторон относительно аттенюатора требует точной юстировки волокон относительно друг друга и шторки, что снижает надежность устройства и усложняет технологию его изготовления. Выше приведенные недостатки устранены в ВОДИД отражательного 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 12 и светодиод 13) и розетки 14.

Блок мембранный 1 состоит из корпуса, упругого элемента - мембраны с жестким центром (в качестве жесткого центра - аттенюатор). Мембрана выполнена из сплава 36НХТЮ, корпус и аттенюатор - из стали 12Х18Н10Т. Аттенюатор (шторка) представляет собой пластину, имеющую поверхности с зеркальной и поглощающей частями. Отражающая поверхность имеет прямоугольную форму (горизонтальная полоска). Это объясняется тем, что технология изготовления прямоугольной формы отражающей поверхности аттенюатора по сравнению со всеми остальными значительно проще. Аттенюатор жестко крепится к мембране посредством импульсной сварки. Мембрана со шторкой устанавливается в корпус и соединяется с корпусом сваркой.

Волоконно-оптический кабель содержит подводящее оптическое волокно ПОВ, первое отводящее оптическое волокно ООВ 1, второе отводящее волокно ООВ 2. Оптические волокна жестко закреплены в штуцере датчика 3 на расстоянии Хо относительно рабочей поверхности аттенюатора.

Штуцер 3 устанавливается в корпусе датчика. Корпус датчика сборный, состоит из двух частей 4 и 5, соединенных между собой с помощью сварки. Наконечник 6 является предохранительным.

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. Световой поток Фо от подводящего оптического волокна ПОВ проходит в прямом направлении расстояние Хо до аттенюатора и расстояние Хо в обратном направлении до отводящих оптических волокон ООВ 1 и ООВ 2 под апертурным углом &ЫА к оптической оси волокна. При этом в плоскости приемных торцов отводящих оптических волокон ООВ 1 и ООВ 2 наблюдается освещенная кольцевая зона шириной Ь=2го, 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 13 по подводящему оптическому волокну 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 1 и ООВ 2, что ведет к изменению интенсивности световых потоков Фг(2) и Ф2(2), поступающих по отводящим волокнам на светочувствительные площадки приемников излучения ПИ 1 и ПИ 2 (фотодиодов 12) первого и второго измерительных каналов соответственно. Приемники излучения преобразуют оптические сигналы в электрические Тг и Т^г поступающие на вход блока преобразования информации (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 12 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 отме-

тить, 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 аттеню-аторного типа для летательных аппаратов//Датчики и системы. - 2002;

2 Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - с. 188;

3 Жилин В. Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - с. 11 - 12.