Конструирование волоконно-оптических датчиков давления отражательного типа

Бадеева Е.А., Мещеряков В.А. КОНСТРУИРОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА

Рассмотрены вопросы структурной и функциональной организации амплитудных волоконно-оптических датчиков давления (ВОДД). Разработаны математические модели функций преобразования ВОДДс оптическим и электрическим выходами. Решены вопросы формирования в зоне измерения рационального пространственного распределения светового потока, обеспечивающего требуемые метрологические характеристики. Предложены способы снижения температурной погрешности,

Радикальным шагом переоснащения летательных аппаратов (ЛА) новой более точной, надежной, малогабаритной, помехозащищенной датчиковой аппаратурой является внедрение волоконно-оптических датчиков (ВОД). Контроль давления на борту ЛА занимает до 50 % от общего числа всех измерений, поэтому создание ВОД давления (ВОДД) является задачей, требующей быстрейшего решения.

ВОДД нечувствительны к внешним электромагнитным полям, имеют малые габариты и массу, простую конструкцию, отличаются высоким надежностью, стойкостью к повышенным температурам, механическим ударам, вибрациям, потребляют малое количество энергии, гарантирует безопасную работу ВОДД в потенциально пожаро- и взрывоопасных условиях, например, при измерении давления в камерах сгорания реактивных двигателей (РД). Применение ВОДД в этом случае значительно снижает уровень вибрационных нагрузок на электронную схему средства измерения, так как с помощью волоконнооптического кабеля ее можно удалить на значительное расстояние от источника вибрации, каковым является РД, и разместить в амортизированном корпусе.

ВОДД отражательного типа составляют самую обширную группу среди амплитудных ВОДД, что объясняется простотой конструктивного исполнения, совершенной и простой технологией изготовления отражающих поверхностей.

ВОДД состоит из волоконно-оптического преобразователя (ВОП) и оптоэлектронного блока (ОЭБ) (рисунок 1). ВОП состоит из измерительного преобразователя (ИП) и волоконно-оптического кабеля (ВОК). ВОК представляет собой жгут подводящих (ПОВ) и отводящих (ООВ) оптических волокон. ОЭБ состоит из источника (ИИ) и приемника (ПИ) излучения, выполняющих функцию электрооптического и фотоэлектрического преобразователей соответственно. Для эффективной передачи светового потока от ИИ к ПОВ и от ООВ к ПИ 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 целесообразно назвать оптическими разъемами (ОР).

Принцип действия ВОДД заключается в следующем. Электрический сигнал ии, поступающий на вход ОЭБ датчика, преобразуется с помощью электрооптического преобразователя ИИ в оптический сигнал Ф, часть которого Фо поступает на вход ВОК через посредство узла юстировки УЮ1. По ПОВ световой поток передается в зону измерения ИП, где его интенсивность Фо изменяется под действием измеряемого давления Р. Часть светового потока Фш (Р), промодулированного в функции контролируемого параметра Р, поступает в ООВ, передается по ним через посредство узла юстировки УЮ2 к ПИ, где происходит фотоэлектрическое преобразование. С выхода ОЭБ снимается электрический сигнал 1(Р).

Рис.1 Структурная схема ВОД: а-с электрическим входом и выходом; б- с оптическим входом и

выходом.

Таким образом, происходят следующие преобразования:

электрического

Модель функции преобразования электрического ВОДД представляет собой зависимость тока приемника излучения I от контролируемого давления Р и множества внешних факторов £1 :

1(Рг £1)=рииц (Х) Ф (Рг £,1)30^

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

ВОДД; Ф(Р, £1) - функция преобразования ВОП; Sпи - интегральная токовая чувствительность ПИ.

В общем случае функция преобразования ВОП:

Ф(Р, §1)=Кис(§1) Ксп (£1) Кип(Р, £1),

где Кис (£1), Ксп (£1) - коэффициенты передач трактов "ИИ - ПОВ" и "ООВ - ПИ" соответственно;

Кип (Р, £1) - функция преобразования ИП.

В ВОДД отражательного типа модуляция оптического сигнала осуществляется в ВОП за счет перемещения относительно торцов ПОВ и ООВ, расположенных в одной плоскости, зеркальной поверхности мембраны при ее прогибе под действием давления.

Общий вид функции преобразования ВОДД с достаточной степенью точности может быть получен на основе законов геометрической оптики. Значения коэффициентов Кис, Ксп зависят от типа выбранных ИИ и ПИ, типа, количества и взаимного расположения ОВ в ВОК, а коэффициент Кип, кроме того, от способа модуляции оптического сигнала в зоне измерения.

Так как площадь светового пятна на отражающей поверхности мембраны ничтожно мала в сравнении с площадью мембраны, то можно с достаточной для инженерных расчетов считать, что под действием давления освещенная площадка перемещается перпендикулярно оптической оси ИП вдоль оси Х.

Модуляция интенсивности светового потока при помощи плоского зеркала происходит следующим образом. Лучи света (на рис. 2, а габаритные лучи 1 и 2) от ПОВ проходят в прямом направлении путь Xi до мембраны и путь Xi в обратном направлении до ООВ под апертурным углом ©а к оптической оси волокна. При этом в плоскости приемного торца ООВ наблюдается освещенная кольцевая зона шириной h=2rc (рис. 2, б), внешний радиус которой равен

^НЕШ=2Х ^д ©то ,

где Х1 - текущее значение расстояния от мембраны до ВОК, г - радиус сердцевины ОВ.

Под действием измеряемого давления мембрана прогибается, соответственно ее зеркальная поверхность перемещается в направлении Х. При этом изменяется положение кольцевой зоны относительно ООВ в направлении Z, которое ведет к изменению площади Sпp приемного торца ООВ, освещенной отраженным от зеркала световым потоком, то есть Sпp=f (Р) (см. рис. 1). Таким образом, происходит преобразование:

Функция преобразования ИП ВОДД отражательного типа: Ф

где К - коэффициент передачи тракта "ПОВ - мембрана - ООВ"

К= рХ$пр/$к ,

р - коэффициент отражения мембраны; - суммарная освещенная площадь торцов ООВ; Е$пр=п$пр,

где п - количество ООВ; Sк - площадь кольцевой зоны в плоскости приемных торцов ООВ.

Sк= 4-Гс

Sпp представляет собой площадь, образованную взаимным пересечением двух кругов радиусами г с и R

2

, агсвіп—- 8Іп(2агс8Іп—) |+ —

2 190 2И 2И ] 2

—агсвіп—— віп(2агсвіп-^) 90 2г 2г

с с

На рис. 3 показана упрощенная конструктивная схема одного из вариантов ИП с круглой мембраной без жесткого центра.

Под действием измеряемого давления мембрана прогибается на величину 8, определяемую известным выражением

8 = 3р 1 -Д2р4,

16 ЕЬ2 0

где Ид ^ Е, ц, - радиус и толщина, модуль упругости и коэффициент Пуассона материала

мембраны; Р - перепад давления.

Рис.2 Управление световым потоком при помощи зеркала

Рис. 3

2 р г2 - Я2 2

г2 - + с ^ )2 •

а=АВ=2 | г2

с '2  2Б

В соответствии с геометрическими построениями

Хі

Х0

2

16 1 БЬ2

-я;

4 •

0

Тогда выражение (4) с учетом зависимости (7) примет вид

Эк

4лгс [2Х

9

- ( 3 р 1 - №2 г>4 ^д0цл - гс] • їбі-^*4

Окончательно определено

Ф=рФоПХ

2

л . а . . а ,

—агсвт--------8іп

90 2Я 2Я;

2

—агс8Іп-^- - 8Іп(2агс8Іп-^) 90 2г 2г

сс

лгс [2Х0 - ( 3р 1 - №2 р4 ) tgыA - Гс] • 16 1 БЬ2 4

Конструктивные параметры а и К являются переменными, зависящими от расстояния Х± от торца ОВ до отражающей поверхности, от расстояния Б между оптическими осями ПОВ и ООВ, а также от начального расстояния Хо между торцом ВОК и мембраной..

Очевидно, что при Фо=const поведение функции преобразования Ф(Р) будет оцениваться по поведению функции передачи оптического тракта, то есть модуляционного коэффициента К.

Изменяя параметры а, Б, Хо можно целенаправленно управлять поведением функции К=^Х): добиваться максимальной чувствительности преобразования при максимально достижимых линейности функции преобразования и глубине модуляции оптического сигнала.

То обстоятельство, что основным параметром, определяющим изменение интенсивности светового потока в процессе измерений, является расстояние Х! между мембраной и общим торцом ВОК, а чувствительность преобразования определяется начальным расстоянием Хо, положено в основу конструктивной унификации по параметрам Л и К. Задаваясь начальным расстоянием Хо и максимальным значением прогиба мембраны Зтак на основании имеющейся априорной информации, по формуле (8) находят значения Л и Ко для заданных значений давления Р, при которых выполняется условие dФ/dP = тах.

Составлена программа расчета конструктивных параметров круглой мембраны ВОДД отражательного типа для следующих исходных данных: Ртах = 5, 10, 14, 28 кгс/см2; Я < 2 0мм; 0,2 < Ъ. < 0,5 мм.

Материал мембраны 3 6НХТЮ-Ш. Предельные значения толщины мембраны Л выбирались из двух условий: со стороны меньших значений - возможностями технологического оборудования в процессе полировки, а со стороны больших значений - упругими свойствами мембраны. Результаты расчета, приведенные в таблице, показали, что одну конструкцию ВОДД (с одним радиусом мембраны) можно использовать для измерения давления в нескольких диапазонах, меняя при этом только толщину мембраны (путем доводки в процессе полировки). Для измерения давления в больших диапазонах целесообразно перейти к конструкции с большим радиусом мембраны. Например, при измерении в диапазоне 0... 300 кгс/см2 радиус мембраны R » 35 мм.

Таблица

р

8

2

2

г

X

Я

Р, кгс/см2 Ь, мм R, мм

5 0,22 12

10 0,24 12

14 0,28 12

28 0,31 12

Тип, размеры, количество ОВ, их взаимное расположение в торцах ВОК, неинформативные и информативные изгибы кабеля существенно влияют на метрологические характеристики ВОДД.

Коаксиальное расположение ОВ в жгуте получило наибольшее распространение как наиболее простое по технологии изготовления. Одновременно оно наиболее целесообразно с точки зрения правления световым потоком. Изменение взаимного расположения ПОВ и ООВ в жгуте ВОК дает возможность изменять глубину модуляции оптического сигнала и чувствительность преобразования ВОДД.

На рисунке 4 приведены варианты взаимного расположения ПОВ и ООВ в общем торце ВОК.

на торце любого ПОВ симметричная и равномерная. Тогда

6 у.е.

изменение начального зазора Х0, обусловленное неточностью ИП, может при изменении температуры окружающей среды привести к

Рис.4. Взаимное расположение излучающих и приемных волокон в общем торце ВОК ВОД отражательного типа.

Дана оценка эффективности каждой из возможных схем расположения ОВ, для чего принят ряд допущений: мощность отраженного светового потока Рпр, поступающего в каждое ООВ от каждого ПОВ,

принимается за условную единицу, т.е. Рпр=1; мощности излучения любого ПОВ равны между собой; диаграмма распределения светового потока 1Рпр=1пРпр, где п - количество ООВ.

Для первой схемы (рис. 4, а) имеем: X Рпр = б • 1

-для второй схемы(рис. 4, б): X Рпр = 3 • 3 = 9 у.е.

- для третьей схемы (рис. 4, в): X Рпр = 3 • 2 + 1 • 3 = 9 у.е.

Таким образом, при одном и том же количестве ОВ в жгуте, равном семи, эффективность варианта б и в в 1,5 раза выше варианта а. Именно такое расположение волокон в общем торце ВОК обеспечивает максимальную чувствительность преобразования и выходную мощность оптического сигнала, так как

каждое из ПОВ дает максимальный вклад в отклик приемника излучения.

К достоинствам ИП рассмотренной конструкции следует отнести высокую чувствительность преобразования. Одновременно, любое изменение начального зазора Х сборки и изготовления деталей аддитивной погрешности.

Как правило, начальный зазор Хо устанавливается с помощью металлической прокладки. При

изменении температуры окружающей среды на значение АТ происходит линейное изменение высоты Л прокладки. Для снижения возникающей при этом погрешности предлагается использовать прокладку высотой h>Хo из материала, ТКЛР а которого больше ТКЛР а.1 материала мембраны.

В качестве примера на рис. 5 приведена упрощенная конструктивная схема датчика с такой

прокладкой.

Датчик содержит ПОВ 1 и ООВ 2, общий торец которых закреплен во втулке 3 на расстоянии Хо от

отражающей поверхности мембраны 4, выполненной за одно целое со штуцером 5. Начальный зазор Хо

выставляется с помощью прокладки 6. Втулка 3 жестко закреплена посредством прокладки 6 и корпуса

7 относительно штуцера 5.

Для исключения погрешности датчика, обусловленной изменением зазора между отражающей поверхностью мембраны и торцами ОВ при изменении температуры на величину АТ, необходимо, чтобы зазор Хо оставался неизменным.

Очевидно, что высота Ло втулки должна быть больше зазора Хо, а материал мембраны иметь ТКЛР ах больше, чем ТКЛР а материала прокладки. При этом должно выполняться условие

Ь(1+аАТ) - (Ь- Хо)(1+а1АТ) = Хо.

Исходя из этого условия, толщина прокладки 6 определится выражением

h=

_L

Хо

1 2

ТІ

Рис.5

2

Кроме того необходимо, чтобы элементы конструкции датчика, находящиеся справа от сечения А-А, проходящего через поверхность штуцера 5, контактирующую с поверхностью прокладки 6, имели такой же ТКЛР, что и материал прокладки 6.

В рекомендуемом варианте материал мембраны 3 6НХТЮ-Ш, для которого ах=14^10 6 1/°С, а материал прокладки - 29НК, для которого а2 = 5-10-6 1/°С. Если Хо ~ 0,7 мм, высота прокладки Ь^1,1мм.

ЛИТЕРАТУРА

1 Зак Е. А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 128 с.: ил. - (Б-ка по автоматике. Вып. 670).

2 Патлах А. Л. Амплитудные преобразователи физических величин на основе нерегулярных световодов // Измерения, контроль, автоматизация, 1987, N2 (62).

3 Основы волоконно-оптической связи: Пер. с англ. / Под ред. Е.М. Дианова. - М.: Сов. радио,

1980, - 232 с., ил.