Технологическая установка для исследований дифференциальных волоконно-оптических преобразователей углового перемещения

2012, № 1

69

УДК 681.785.64; 621.3.061; 621.316.31

О. В. Юрова

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛОВОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Аннотация. Предлагается технологическая установка для определения конструктивных параметров дифференциальных волоконно-оптических преобразователей угловых перемещений отражательного типа.

Abstract: The technological mounting for the identification of constructive parameters of fiber-optic angular moving transformers reflective type is suggested.

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

Key words: fiber-optic transformers, angular moving, technological mounting, differential transformation, reflecting surface, light flow

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 других физических величин (ФВ). ВОПУП преобразует изменение угла наклона отражающих поверхностей модулирующего элемента (МЭ) в изменение интенсивности светового потока.

Дифференциальное преобразование сигналов в ВОПУП отражательного типа, конструктивная схема которого рассмотрена в работе [1], реализуется в том случае, когда подводящие (ПОВ) и отводящие (ООВ) оптические волокна расположены относительно отражающих поверхностей МЭ на равном расстоянии и соосно относительно друг друга (рис. 1). МЭ, воспринимающий внешнее воздействие, выполнен в виде металлической пластины (МП), имеющей зеркальные внешние поверхности.

а) б)

Рис. 1. Расчетная схема дифференциального ВОПУП

С двух сторон МП расположены оптические волокна первого и второго измерительных каналов, причем ПОВ1 первого измерительного канала расположены соосно с ООВ2 второго измерительного канала и, наоборот, ПОВ2 второго измерительного канала расположены соосно с ООВ1 первого измерительного канала. Ширина металлической пластины выбирается таким образом, чтобы размеры светового пятна в диапазоне измерения не превышали размеров пластины. Если ОВ имеют = 0,2 мм, йов = 0,5 мм, расчетные значения МП следующие: ширина - 3 мм, толщина - 0,2 мм, длина - 20 мм, расстояния О = 0,7 мм, х0 = 1,5 мм [1].

Оптическая схема ВОПУП должна иметь такие конструктивные параметры, которые обеспечивают выполнение требований:

- в отсутствие 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 (рис. 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 вправо приводит к полному перекрытию площади приемного торца ООВ 1 измененным отраженным световым потоком, и на приемный торец ООВ2 световой поток поступать не будет (рис. 1,6). Аналогичное преобразование происходит при отклонении МП на максимальный угол влево.

Стоит задача подтверждения полученных теоретических расчетов путем проведения экспериментов. Для снижения необоснованных затрат на проведение экспериментальных исследований готовых конструкций датчиков предложено использовать установку, воспроизводящую угловые перемещения.

Разработана технологическая установка для исследований дифференциальных волоконно-оптических преобразователей углового перемещения, упрощенная конструктивная схема которой приведена на рис. 2.

Рис. 2. Технологическая установка для воспроизведения углового перемещения:

1 - металлическая пластина; 2 - державка; 3 - основание; 4 - призма (шарнир); 5 - стойка; 6 - наконечник;

7 - винт-стойка; 8 - гайка регулировочная; 9 - пружина; 10 - наконечник микрометрического винта;

11 - двушкальный механизм; 12 - втулка; 13 - рабочий жгут ПОВ и ООВ; 14 - кабель;

15 - винт крепления наконечника; 16 - корпус

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 с помощью пайки в державке 2.

2012, № 1

71

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 Х\ 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.

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

Ограничителем перемещения является расстояние х\:

Х1 = А^та,

где А\ - 0,5 длины державки 2; а - максимальный угол отклонения, равный 5°.

При установке МП 1 в державку 2 необходимо обеспечить:

1) строгую перпендикулярность их плоскостей;

2) 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 ее противоположного конца. В нулевом положении при отсутствии угла наклона МП лучи света от ПОВ1 и ПОВ2 под апертурным углом (см. рис. 1) к оптической оси во-

локна 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. При этом в плоскости приемных торцов ООВ1 и ООВ2 наблюдается освещенная кольцевая зона шириной к = гс, где гс - радиус сердцевины оптического волокна.

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

На рис. 3 представлена схема экспериментальных исследований. Установка для экспериментальных исследований содержит оптический тестер, волоконно-оптический кабель, УЗУП. В схеме оптического тестера предусмотрены два приемника излучения (фотодиода) для обеспечения дифференциальной схемы.

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. Ток, проходящий через светодиод, может принимать три значения: 0; 50; 80 нА, выбираемых с помощью 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 преобразования фотоприемных каналов в диапазоне изменения интенсивности принимаемого оптического сигнала от 0 до 106 нА.

Рис. 3. Схема экспериментальных исследований:

УВУП - установка для воспроизведения углового перемещения; ВОК - волоконно-оптический кабель;

ПОВ1, ПОВ2 - подводящие оптические волокна; ООВ1, ООВ2 - отводящие оптические волокна;

ФД - фотодиод; СД - светодиод

Максимальный выходной сигнал фотопреобразователей - 5 В - определяется АЦП, встроенным в микроконтроллер типа Р1С16Р873/8Р. В соответствии с программой микроконтроллер обеспечивает три режима обработки информации:

- в первом режиме на цифровом индикаторе отображаются цифровые значения сигналов обоих каналов (/ и /2);

- во втором режиме отображается отношение этих сигналов (/ / 12);

- в третьем режиме отображается результат вычислений по формуле (/ - /2)/(/1 + /2).

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.

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.

Предложенная технологическая установка позволяет исследовать дифференциальные ВОПУП, позволяет судить о работоспособности преобразователя, определить его конструктивные параметры, оценить качество изготовления элементов преобразователя: отражающих поверхностей МП, полировки торцов оптических волокон и т.д.

Список литературы

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

Юрова Ольга Викторовна Yurova Ol'ga Viktorovna

кандидат технических наук, candidate of technical sciences,

кафедра приборостроения, sub-department

Пензенский государственный университет of instrumentation technology,

E-mail: mazer@pnzgu.ru. Penza State University

УДК 681.785.64; 621.3.061; 621.316.31 Юрова, О. В.

Технологическая установка для исследований дифференциальных волоконнооптических преобразователей углового перемещения / О. В. Юрова // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2012. - № 1. - С. 69-72.