Внедрение волоконно-оптических информационно-измерительных систем (ВОИИС) необходимо для уменьшения массы измерительных средств и кабельных сетей на борту летательных аппаратов, повышения их искро, взрыво-, пожаробезопасности и помехозащищённости. Поскольку одним из основных факторов, воздействующих на летательные аппараты в полёте, является ускорение, то создание волоконно-оптических датчиков ускорений (ВОДУ) является актуальной научно-технической задачей.
При проектировании ВОДУ необходимо учитывать влияние на результат измерения изгибов оптических волокон, изменения параметров источников и приёмников излучения под воздействием механических и климатических факторов, поэтому наиболее перспективным является применение дифференциальной схемы преобразования оптического сигнала [1].
В описываемом датчике ускорений основным элементом является волоконно-оптический преобразователь микроперемещений (ВОПМП) с цилиндрической линзой, который сочетает функции модулирующего, инерционного и управляющего элемента (см. рис. 1).
Световой поток от источника излучения (ИК-светодиода) по подводящему оптическому волокну (ПОВ) поступает в зону измерения, где установлен оптический модулирующий элемент (цилиндрическая линза), воспринимающий измеряемую физическую величину (ускорение). При перемещении линзы изменяется положение светового пятна относительно рабочих торцов отводящих оптических волокон (ООВ) первого и второго измерительных каналов, которые расположены друг над другом вдоль направления перемещения линзы. В плоскости ООВ световое пятно имеет вид пересечения кольца, образованного двумя эллипсами (см. рис. 2).
В программной среде MatLab было проведено математическое моделирование с целью определения конструктивных параметров ВОПМП [2]: расстояния l1 от торца ПОВ до поверхности цилиндрической линзы, расстояния l2 от поверхности цилиндрической линзы до приёмного торца ООВ и радиуса линзы rц. Получены формы светового пятна в плоскости ООВ и функции изменения интенсивности на выходе модулирующего элемента при различных значениях длин l1 и l2, радиуса линзы rц и расстояния D между оптическими осями ООВ, которые изменялись с некоторым шагом.
Установлено, что при использовании оптических волокон с диаметром сердцевины dc = 0,2 мм и апертурным углом ОВ ΘNA = 12 град. передача максимально возможной мощности излучения светового потока в зону преобразования оптического сигнала достигается при rц = 1,5 мм, l1 = 0,5 мм и l2 = 1,5 мм (см. рис. 2). При других значениях наблюдаются критические потери светового потока либо неравномерность распределения световой мощности.
Датчик ускорений содержит ВОПМП, состоящий из цилиндрической линзы 8, закреплённой на упругом элементе 7, подводящего оптического волокна 2 и двух отводящих оптических волокон 3 (см. рис. 3).
Корпус датчика состоит из основания 4 и крышки 9, соединённых с помощью сварки. Волокна 6 уложены в специальную выемку. Чтобы ОВ не сломались, в месте максимального изгиба они помещены во фторопластовые трубки. Полость для укладки волокон 6 заливается герметиком, обеспечивающим их неподвижность.
Для юстировки линзы по оси Z относительно оптических волокон используются кольцевые прокладки толщиной 0,01…0,1 мм (на рисунке не показаны). В частности, для диапазона рабочих частот 5…128 Гц выбран упругий элемент в виде пластины из стали марки 36НХТЮ шириной 3 мм, толщиной 0,2 мм и рабочей длиной 16,5 мм. Возможно изменение частотного диапазона по требованию заказчика.
Датчик ускорений работает следующим образом. Световой поток Ф0 от источника излучения подводится по оптическому волокну в зону измерения. Под действием ускорения происходит перемещение цилиндрической линзы, закреплённой на упругом элементе, в корпусе датчика в направлении оси Z. Перемещение линзы вызывает изменение интенсивности светового потока. Световые потоки Ф1(z) и Ф2(z), прошедшие через линзу, по отводящим волокнам первого и второго измерительных каналов поступают на приёмники излучения ПИ1 и ПИ2 соответственно. Приёмники излучения ПИ1 и ПИ2, в свою очередь, преобразуют оптические сигналы Ф’1(z) и Ф’2(z) в электрические I1(z) и I2(z).
При обработке сигнала с дифференциального оптического датчика целесообразно сформировать отношение разности сигналов на выходе каналов к их сумме
В этом случае снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов волоконно-оптического кабеля, изменения мощности излучения источника и чувствительности приёмника, которые вызывают пропорциональные изменения сигналов в каналах, не приводящие к изменению отношения сигналов.
В соответствии с предложенной методикой линеаризации максимальная чувствительность и линейность преобразования достигаются при перемещении линзы в диапазоне (0,015…0,09)dс, который устанавливается юстировкой элементов оптической системы в процессе сборки ВОПМП.
Исследования и анализ технических возможностей экспериментального образца дифференциального ВОДУ показали, что чувствительность преобразования повысилась почти в два раза по сравнению с аналогами (dU/dz = 1,1 мВ/мкм, у аналогов 0,6…0,7), аддитивная составляющая погрешности снизилась до 0,08% (у аналогов 0,1%), а погрешность линейности – до 0,07% (у аналогов 0,09%).
Литература
- Щевелёв А.С., Юрова О.В., Бростилов С.А., Мурашкина Т.И., Архипов А.В. Технологические основы проектирования волоконно-оптического датчика ускорения. Промышленные АСУ и контроллеры. 2011. № 6. С. 39–43.
- Мурашкина Т.И., Щевелёв А.С., Логинов А.Ю. Моделирование физических процессов в волоконно-оптическом преобразователе перемещений с цилиндрической линзой. В сб. Надёжность и качество. ПГУ. Т. 1. 2010. С. 116–117.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
