Фильтр по тематике

Волоконно-оптический датчик ускорений с цилиндрической линзой

В статье описан новый датчик ускорения, основным элементом которого является волоконно-оптический преобразователь микроперемещений с цилиндрической линзой, выполняющей одновременно функции модулирующего, инерционного и управляющего элемента.
20.06.2013 440 0
Волоконно-оптический датчик ускорений с цилиндрической линзой

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

  1. 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.
  2. 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.
© СТА-ПРЕСС

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!

20.06.2013 440 0
Комментарии
Рекомендуем
Проверяемое автономное управление: архитектура контроля решений ИИ в киберфизических и распределённых системах Электроника и автоматизация

Проверяемое автономное управление: архитектура контроля решений ИИ в киберфизических и распределённых системах

В статье рассматривается архитектура SEACS (Self-Evolving Autonomous Control System), предназначенная для построения проверяемого контура автономного управления в распределённых и киберфизических системах. В отличие от подходов, где успешный вызов модели или выполнение команды трактуется как завершение задачи, SEACS разделяет наблюдение, оценку состояния, выбор решения, исполнение и последующую проверку фактического результата. Рассматриваются механизмы управления риском и доверием, гистерезиса, задержки повторных воздействий, резервных сценариев и передачи решения человеку. Отдельное внимание уделено воспроизводимым испытаниям, требованиям к данным и метрикам, а также ограничениям исследовательского прототипа.
30.10.2026 СЭ №8/2026 113 0
К 130-летию со дня рождения великого советского физика Игоря Евгеньевича Тамма. Часть 7. Оптические уровни  и плазмон-поляритоны Тамма Электроника и автоматизация

К 130-летию со дня рождения великого советского физика Игоря Евгеньевича Тамма. Часть 7. Оптические уровни и плазмон-поляритоны Тамма

Эта статья завершает серию публикаций о научном наследии Игоря Тамма, в которой была проанализирована эволюция идей Тамма и его учеников от 1930-х годов до наших дней. Среди различных направлений, которыми в различные периоды своей жизни занимался Игорь Тамм, мы остановились на тематике, связанной с взаимодействием света с электронами на границе металла и диэлектрика. Данное направление, начавшееся с разработки теории «таммовских поверхностных состояний», логически продолжилось открытием оптических состояний Тамма (Optical Tamm States – OTS), а затем плазмон-поляритонов Тамма (Tamm Plasmon-Polaritons – TPP). Именно этим двум явлениям посвящена настоящая статья.
28.10.2026 СЭ №8/2026 150 0

Реклама
Реклама.  ООО «Остек-СМТ»  ИНН 7731481045  erid = 2SDnjchs19E
Реклама
Реклама.  ООО «Остек-СМТ»  ИНН 7731481045  erid = 2SDnjdHxidA
  Подписывайтесь на наш канал в Telegram и читайте новости раньше всех! Подписаться