Аттенюаторные волоконно-оптические датчики давления

Пивкин А.Г.

АТТЕНЮАТОРНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки РФ

Рассмотрены принципы построения волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД) аттенюаторного типа. Разработан новый дифференциальный ВОДД с предельным аттенюатором в виде непрозрачной шторки с круглым отверстием. Рассмотрена его конструкция, схема электрическая принципиальная, приведены результаты экспериментальных исследований макетного образца ВОДИД.

По виду входных и выходных сигналов интерфейса, соединяющего датчики с внешней регистрирующей аппаратурой, ВОДД делят на два типа: с электрическим и оптическим интерфейсами [1]. В первом случае ВОДД состоит из волоконно-оптического преобразователя давления (ВОПД) и оптоэлектронного блока (ОЭБ) (рисунок 1 а).

Рисунок 1 - Структурная схема ВОДД:

а - с электрическим входом и выходом; б - с оптическим входом и выходом

Входные и выходные сигналы такого датчика электрические.

Во втором случае ВОДД представляет собой собственно ВОПД, входные и выходные сигналы которого

оптические.

ВОПД состоит из измерительного преобразователя (ИП) и волоконно-оптического кабеля (ВОК). ВОК представляет собой жгут подводящих (ПОВ) и отводящих (ООВ) оптических волокон. Оптоэлектронный блок (ОЭБ) состоит из источника (ИИ) и приемника (ПИ) излучения, выполняющих функцию электрооптического и фотоэлектрического преобразователей соответственно. Для эффективной передачи светового потока от источника излучения к ПОВ и от ООВ к приемнику излучения вводятся узлы юстировки УЮ1 и УЮ2. Если в узлах юстировки отсутствуют подвижные элементы для юстировки, то они выполняют роль стыковочных элементов. В этом случае их называют оптическими разъемами (ОР).

В оптических ВОДД в соответствии с ГОСТ Р В 50899-96 концы передающих и отводящих волокон ВОК оконцованы стандартными розеточными частями разъемных оптических соединителей. Поэтому на блок-схеме они обозначены как оптические разъемы ОР1 и ОР2 (см. рисунок 1, б).

Принцип действия ВОДД с электрическим интерфейсом заключается в следующем.

Электрический сигнал Оп, поступающий на вход ОЭБ датчика, преобразуется с помощью электрооптического преобразователя источника излучения в оптический сигнал Ф, часть которого Фо поступает на вход волоконно-оптического кабеля ВОК. По ПОВ световой поток передается в зону измерения, где его интенсивность Фо изменяется под действием измеряемого давления Р. Часть светового потока Фип (Р), промодулированного в функции контролируемого давления Р, поступает в ООВ, передается по ним к приемнику излучения, где происходит фотоэлектрическое преобразование. С выхода ОЭБ снимается электрический сигнал I(Р).

Таким образом, происходят следующие преобразования:

Р

ип — Ф — Ф'о — Фо —0 — Фип

Модель функции преобразования электрического ВОДД представляет собой зависимость тока приемника излучения I от контролируемого давления Р и множества внешних факторов Ъ,±:

1

где Рии - мощность светового потока ИИ; ц(X) - коэффициент спектрального согласования элементов

ВОДД; Ф (Р, ‘^±) - функция преобразования ВОПД; 5пи - интегральная токовая чувствительность ПИ.

В оптическом ВОДД, в отличие от электрического, отсутствует ОЭБ, а также потери светового потока в оптических разъемах, так как они являются конструктивным элементом ВОК, не вносящим потери.

На вход датчика поступает оптический сигнал Ф от внешнего устройства, и с выхода снимается также оптический сигнал Ф(Р), интенсивность которого пропорциональна измеряемому давлению Р.

Здесь происходят следующие преобразования:

1 Р

Ф ---- Фо --

В общем случае функция преобразования ВОПД:

Ф

где Кис (£,±) Ксп (£,±) - коэффициенты преобразования оптических трактов "источник излучения ИИ - под-

водящее оптическое волокно ПОВ" и "отводящее оптическое волокно ООВ - приемник излучения ПИ" соответственно; Кип (Р, £,±) - функция преобразования измерительного преобразователя ИП.

Ввиду того, что в разрабатываемых датчиках используются многомодовые оптические волокна, распространение оптического сигнала в которых достаточно точно подчиняется законам геометрической оптики [35] , соответственно, общий вид функции преобразования ВОДД с достаточной степенью точности может быть получен на основе законов геометрической оптики.

На рисунке 2 представлена блок-схема разрабатываемого датчика.

Рисунок 2 - Блок-схема волоконно-оптического датчика давления

Датчик состоит из волоконно-оптического преобразователя давления ВОПД и блока преобразования информации БПИ. ВОПД в свою очередь состоит из чувствительного элемента ЧЭ, волоконно-оптического кабеля ВОК и согласующего устройства СУ.

Чувствительный элемент предназначен для преобразования измеряемого давления в изменение интенсивности светового потока, волоконно-оптический кабель - для передачи светового потока от источника излучения в зону измерения и обратно к приемнику излучения, согласующее устройство - для электро-оптического и фотоэлектрического преобразования сигналов датчика.

Блок преобразования информации служит для питания элементов согласующего устройства и преобразования электрического сигнала с выхода согласующего устройства в стандартный электрический сигнал (например, 0 - 6 В).

Одно из основных преимуществ ВОДД с применением аттенюаторов - это возможность дифференциального преобразования оптических и электрических сигналов, позволяющего существенно улучшить метрологических характеристики датчика.

Разработана обобщенная структурная схема дифференциального ВОДД аттенюаторного типа, приведенная на рисунке 3.

На схеме приняты следующие обозначения: ВОПД - волоконно-оптический преобразователь давления; ИИ - источник излучения; £ - сумматор; ПОВ - подводящее оптическое волокно; ООВ1, ООВ2 - отводящие оптические волокна первого и второго измерительных каналов соответственно; Д - делитель; ПИ1, ПИ2 -приемники излучения; ВУ - вычитающее устройство; ВОК - волоконно-оптический кабель.

ВОДД работает следующим образом. Часть светового потока источника излучения Фо' по подводящему оптическому волокну ПОВ подается в зону измерения. Под действием измеряемого давления Р мембрана прогибается, соответственно смещается в направлении 2 аттенюатор (например, шторка), жестко на ней закрепленный. В соответствии с заложенным в аттенюаторе алгоритмом преобразования происходит преобразование оптического сигнала Фо. Часть оптического излучения Ф1 (Р) поступает в отводящее оптическое волокно ООВ1 первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф2( Р) - в отводящее оптическое волокно ООВ2 второго измерительного канала. По ООВ1 и ООВ2 световые потоки направляются на приемники излучения ПИ1 и ПИ2, соответственно. Приемники излучения ПИ1 и ПИ2 преобразуют оптические сигналы Ф1' (Р) и Ф2' (Р) в электрические сигналы II (Р) и 12 (Р), соответственно, которые далее поступают на вход блока преобразования информации БПИ.

В БПИ осуществляется операция суммирования и вычитания сигналов II (Р) и I (Р), а затем - операция деления разности сигналов на их сумму: [ !1( Р) - ^( Р)] / [ Д( Р) + ^( Р)].

Данный алгоритм преобразования БПИ позволяет в два раза повысить чувствительность преобразования датчика, компенсировать изменения мощности излучения светодиода и интегральной токовой чувствительности приемников излучения при изменении температуры окружающей среды, уменьшить дополнительные погрешности, обусловленные воздействиями внешних факторов, а также неинформативными потерями светового потока при изгибах оптических волокон [2].

На рисунке 4 представлен общий вид разработанного ВОДД [3].

В новом ВОДД используется в качестве аттенюатора шторка с круглым отверстием, которая позволяет повысить эффективность использования светового потока, повысить освещенность и снизить размеры площади изображения торца подводящего оптического волокна ПОВ в плоскости расположения отводящих оптических волокон ООВ [3] . Кроме того, такая конструкция обеспечивает простую юстировку аттенюатора и волокон.

Штуцер 1 датчика представляет собой стакан, дно которого выполняет роль мембраны. Мембрана может быть изготовлена отдельно, а затем посредством сварки соединена со штуцером. К мембране с помощью импульсной сварки крепится шторка 2, имеющая форму буквы «Г», с круглым отверстием диаметром

2 0 0...500 мкм. Мембрана выполнена из сплава 36НХТЮ, корпус, штуцер и шторка - из стали 12Х18Н10Т. Мембрана со шторкой соединяется с корпусом сваркой. После этого выполняется отверстие в шторке.

Втулка 3 устанавливается в корпус 8, который посредством сварки соединен со штуцером 1.

С зазором 0,5...1 мм относительно шторки 2 с двух сторон во втулке 3 закреплены наконечники 4 (на чертеже не показаны) из сплава 29НК волоконно-оптического кабеля 5, в которые вклеены ПОВ 6 и ООВ 7. Для изготовления ВОК используется оптическое волокно с диаметром сердцевины 2 0 0 мкм и апертурным углом 12...14 градусов. Общий торец ВОК 5 с помощью наконечника 9 закрепляется посредством сварки в боковое отверстие корпуса 8.

Рисунок З - Структурная схема дифференциального ВОДД аттенюаторного типа

Рисунок 4 - Общий вид дифференциального ВОДД аттенюаторного типа

В процессе сборки датчика перед установкой во втулке 3 наконечники 4 с оптическими волокнами должны быть предварительно протянуты через это отверстие.

Для грубой юстировки оптических волокон относительно отверстий в шторке используются металлическая плоская прокладка 9 и металлическая кольцевая втулка 10. Настройка и юстировка датчика осуществляются изменением высоты прокладки 9. Шторка устанавливается относительно ООВ так, чтобы отверстие совпало с центром технологического (центрального) волокна.

Втулка 10, изготовленная из стали 2 9НК, выполняет также роль температурного компенсатора.

Полость волоконно-оптического преобразователя давления заполняется инертным газом аргоном, что исключает выпадение росы или конденсата на внутренних поверхностях преобразователя при изменении температуры и, соответственно, уменьшает погрешность измерения.

В корпусе 11 согласующего устройства СУ крепится фотоблок, представляющий собой держатель 12 из стали 29НК, в который вклеены светодиод 13 и два фотодиода 14. Там же с помощью клея ВК-9 напротив рабочих торцов свето- и фотодиодов крепится общий торец ВОК 5. С другой стороны согласующего

устройства крепится розетка 15 типа СНЦ 13-10/10Р-11-В, к контактам которой подпаиваются выводы

свето- и фотодиодов. Выводы светодиода 13 и фотодиодов 14 крепятся к выводам розетки 15 с помощью проводов марки МС16-1х0,08 посредством пайки. На задействованные контакты розетки 15 надеваются трубки марки Ф-4ДЭ 1,5х0,3 длиной 7 мм, для электрической изоляции на выводы светодиода 13 и фото-

диодов 14 также надеваются трубки.

Полученная сборка заливается клеем ВК-9 с двуокисью циркония.

Согласующее устройство соединяется посредством розетки 15 с блоком преобразования информации.

Описание схемы электрической принципиальной датчика

На рисунке 5 приведена электрическая схема разработанного дифференциального ВОДД аттенюаторного типа.

Световой поток светодиода VD1, проходит в зону измерения, подвергается определенному преобразованию в соответствии с алгоритмом, заложенным в конструкцию аттенюатора и волоконно-оптического преобразователя перемещения в целом. В результате формируются два световых потока, которые из зоны измерения поступают на фотодиоды VD2 и VD3 первого и второго измерительных каналов соответственно, преобразуются в напряжения U1 (Х) и U2 (Х) . Так как указанные сигналы имеют малый уровень, поэтому далее усиливаются до нужного значения с помощью операционных усилителей, построенных на микросхеме DD1.1, резисторах R1, R3 и микросхеме DD2.1, резисторах R2 и R4 соответственно. Усиленные сигналы с выхода микросхем DD1.1 и DD2.1 поступают на входы фильтров первого и второго измерительных каналов, построенных на микросхемах DA1 и DA2 соответственно. Фильтры отделяют полезные сигналы от помех. Так как сигналы могут быть слабыми, их усиливают с помощью микросхемы DD1.2 и резисторов R5 и R6 и микросхемы DD2.2 и резисторов R8 и R10 соответственно.

DA1 - микросхема 105 6 УП1; DD1, DD2, DD3 - микросхемы 14 0 УД2 0А; DA2 - микросхема 525 ПС3. Выводы 13, 9 микросхем DD1, DD2, DD3 соединить с шиной +15В, а вывод 4 с шиной -15В.

Рисунок 5 - Схема электрическая принципиальная ВОДД

Усиленный сигнал с выхода микросхемы DD1.2 поступает на вход Z2 а с выхода микросхемы DD2.2 -

на вход X! микросхемы А2, на которой построен делитель напряжения. При совместной обработке сигналов с первого и второго измерительных каналов на выходе микросхемы DA2 получают выходной сигнал ЦД, который представляет собой отношение напряжения на входе Z2 к напряжению на входе Х1 т.е. Uд=Uz2/ Цх1.

Настройка ВОДД осуществляется изменением номиналов резисторов Я7, Я8, Я9, Я10 операционных усилителей, построенных на микросхемах DD2.2, DD3.1. С помощью микросхемы DD3.1 и резисторов Я7, Я9

задается сигнал, противоположенный сигналу, полученному с выхода микросхемы DA2. Оба сигнала с выходов микросхем DA2, DD3.1 подаются на вход микросхемы DD2.2, на выходе которой формируется выходной сигнал Цвых (Х) . В начале диапазона измерения выходной сигнал Ивых должен составлять 0...0,7 В, а в конце диапазона измерения - (5±1) В.

Например, если в нормальных условиях напряжение на выходе микросхемы DD1.2 Ц1 (Х) равно 6 В, а на выходе микросхемы DD2.1 Ц2 (Х) равно 2В, то, подавая эти напряжения на микросхему DA2, получим на ее выходе напряжение равное: Цвых (Х) = и! (Х) / Ц2 (Х) = 3В.

Если при воздействии температурных факторов излучение светодиода уменьшилось на 10 %, то соответственно на 10 % уменьшаться ^(Х) и ^(Х) . Тогда Цвых(Х) = [ ^(Х) - 0,1 Ц1(Х)]/[ ^(Х) - 0,1 ^(Х)] =

3В.

Следовательно, дифференциальное преобразование сигналов позволило исключить температурную погрешность ВОДД при изменении температуры окружающей среды.

Если необходимо повысить чувствительность преобразования ВОДД в БПИ осуществляется операция суммирования и вычитания сигналов, а затем - операция деления разности сигналов на их сумму.

Схема и результаты экспериментальных исследований

Схема экспериментальных исследований ВОДД приведена на рисунке 6, а на рисунке 7 - фото экспериментальной установки.

Рисунок 6 - Схема экспериментальной установки

Она включает в себя ВОДД, блок преобразования информации БПИ с блоком питания, вольтметр В37 -27А/1, установку для воспроизведения давления УВД, манометр, компрессор НР2 ТШВО 25/251.

Воздух с компрессора по воздушной магистрали подается на УВД, к которой присоединен манометр. Значение подаваемого давления отображается на шкале манометра. ВОДД закреплен на УВД с помощью штуцера-переходника. Оптический сигнал с ВОДД по волоконно-оптическому кабелю проходит на БПИ, где преобразуется в напряжение постоянного тока, которое отображается на индикаторе вольтметра.

Рисунок 7 - Фото экспериментальной установки

В соответствии с полученными в ходе эксперимента данными построены графики экспериментальной кривой и аппроксимирующей кривой иэксп=Р (Р) и иаПр= Р (Р) (рисунок 8) . Методом наименьших квадратов найдены коэффициенты аппроксимирующей функции вида у=ах+Ь: а = - 0,17 (Всм2/кгс), Ь=1,4 В. Таким

образом, аппроксимирующая функция имеет вид и = 1,4 - 0,17Р. и, в

05

0.6

02

О OS 1 1.5 3 25 3 35 4 лц 5 55 В 6.5 7 р кгс/см

Рисунок 8- Графики изксп=^

Определено, что погрешность линейности (аппроксимации) | у| мах составляет 3%.

ЛИТЕРАТУРА

1 Мурашкина Т. И., Волчихин В. И. Амплитудные волоконно-оптические датчики автономных систем

управления: Монография. - Пенза: изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - 188 с.

2 Пивкин А.Г. Математическая модель волоконно-оптического преобразователя аттенюаторного типа

//Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: Науч. тр. - Вып. 6 (2003). - М.:

МГУЛ, 2003. -С. 268-274

3 Пивкин А. Г., Мурашкина Т. И. Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для космической техники: Монография. - Пенза: Издательский центр ПГУ- 2005. - с.150