Установка для экспериментальных исследований волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений

Юрова О.В., Мурашкина Т.И. , Мышева М. М.

УСТАНОВКА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Предложена новая конструкция установки для проведения экспериментальных исследований волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений (ВОПУП).

Базовым измерительным преобразователем многих волоконно-оптических датчиков (ВОД): ускорений, силы, давления, деформации и др. является ВОПУП, представляющий собой конструктивную совокупность подводящих (ПОВ) и отводящих (ООВ) оптических волокон, определенным образом расположенных относительно зеркальной отражающей поверхности, перемещающейся под действием измеряемой физической величины на некоторый угол относительно ПОВ и ООВ. Например, в ВОД ускорений отражающая поверхность путем полировки сформирована на боковых поверхностях упругой металлической пластины, в ВОД давления зеркальную отражающую поверхность имеет металлическая мембрана [1]. Основные параметры ВОПУП, такие как расстояние Хо между торцами ПОВ и ООВ и упругим элементом, расстояние О между оптическими осями ПОВ и ООВ, размеры определяются расчетным путем [2]. Стоит задача подтверждения полученных теоретических расчетов путем проведения экспериментов.

На рисунке 1 приведена схема экспериментальных исследований ВОПУП. Экспериментальный образец измерительной установки для снятия экспериментальной зависимости Ф/Фо=f(а) состоит из тестера оптического, блока питания БП, соединительного электрического кабеля К1, устройства-имитатора угловых перемещений (см. рисунок 2).

Тестер оптический выполнен в виде малогабаритного переносного прибора и состоит из фотоэлектрического преобразователя ФП-0,85, усилителя-преобразователя, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), электрооптического преобразователя СИД-0,85 и индикатора (рисунок 3). Принцип действия тестера оптического основан на преобразовании электрического сигнала в оптическое излучение, направляемого в зону измерения углового перемещения (ЗИУП), и оптического излучения, поступающего из ЗИУП на фотоприемник, в электрический сигнал. Оптическая мощность фиксируется в ваттах в диапазоне волн (0,85 ± 0,1) мкм.

Для снижения необоснованных затрат на проведение экспериментальных исследований готовых конструкций ВОД предложено использовать установку-имитатор угловых перемещений, упрощенная конструкция которого приведена на рисунке 2.

Установка содержит рабочий жгут 7 ПОВ и ООВ, общий торец которых закреплен во втулке 4 на расстоянии Хо от зеркальной отражающей поверхности пластины 1, выполненной из сплава 3 6НХТЮ. Втулка 4 с оптическими волокнами закреплена в стойке 3, пластина 1 - в державке 6, которая имеет возможность перемещения в четырех направлениях относительно основания стойки 3.

Устройство 2, воспроизводящее линейное перемещение, выполнено в виде микрометрического двухшкального механизма с пределом измерений 0...10 мм, ценой деления шкалы барабана 0,01 мм. Устройство 2 закрепляется двумя винтами в стойке 3. Во втулке микрометрического винта устройства 2 неподвижно закреплен имитатор 5 в виде «грибка». Поворот барабана на одно деление (10 мкм) вызовет перемещение имитатора 5 вдоль оси X на 10 мкм.

Рисунок 1 - Схема экспериментальных исследований ВОПУП

1 - отражатель (пластина); 2 - двухшкальный механизм; 3 - стойка; 6 - регулятор (державка); 5 - имитатор перемещения; 4 - втулка; 4 - волоконно-оптический преобразователь угловых перемещений 7 - рабочий жгут подводящих и отводящих оптических волокон

Рисунок 2 - Установка для задания углового перемещения

Начальное расстояние Хо между зеркальной поверхностью пластины 1 и общим торцом рабочего жгута оптических волокон 7 выставляется с помощью поверочной пластины (меры длины). Например, если жгут 7 изготовлен из оптических волокон «кварц-кварц» ОВ-ИК-1,2-4 00 ТУАБ.60.98 с параметрами: диаметр сердцевины ^=0,2 мм, диаметр ОВ ^=0,5 мм, апертурный угол ОВ 0^=12 градусов, то расчетное начальное расстояние Хо=1,5 мм, соответственно необходимо установить между пластиной и оптическими волокнами однозначную меру в виде пластины номиналом 1,5 мм. При помощи регулятора 6 пластина 1 подводится вплотную к мере, не создавая натяга. Затем вплотную к пластине 1 с другой стороны подводится имитатор перемещения 5.

Контроль правильности установки начального расстояния Хо производится по выходному сигналу ВОПУП. При установке начального расстояния Хо , если фиксируемый сигнал будет равен 0 (это будет свидетельствовать о том, что фотодиод не воспринимает сигнал от светодиода - пластина встала вплотную), то пластина установлена правильно, а следовательно начальное расстояние Хо=1,5 мм соблюдено. Эти действия являются так же установкой точки начала отсчёта при непосредственном проведении процесса воспроизведения перемещения. При помощи механизма микрометрического 2 воспроизводится перемещение имитатора 5.

Перемещение имитатора 5 в направлении жгута волокон вызывает угловое перемещение пластины 1 относительно оси ОЕ на угол а (таблица 1).

Таблица 1

Перемещение, мкм о,34 о,68 1,о2 1,36 1,7

Градусы 1 2 3 4 5

Зависимость а =£(X) наклона пластины от перемещения имитатора приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Зависимость а =£(X) наклона пластины от перемещения имитатора

Изменение угла наклона отражателя вызывает изменение интенсивности оптического излучения, мощность которого снимается с оптического тестера.

Графики экспериментальных зависимостей значений И=£(а) показаны на рисунке 4.

Полученные результаты экспериментальных исследований дают возможность определить реальную функцию преобразования ВОД.

Предложенная конструкция установки позволяет исследовать ВОПУП, позволяет судить о их функциональных возможностях, определить их конструктивные параметры. Предложенная установка проста, надежна, не требует сложных технологических, юстировочных и измерительных операций при изготовлении оптической части ВОПУП.

Рисунок 4 -Графики экспериментальных зависимостей значений Ш=ї