Системы обеспечения безопасности полёта летательных аппаратов (ЛА) требуют измерения аэродинамических углов (АУ) с погрешностью, не превышающей 0,4…0,5° в диапазоне ±60°. Основная погрешность известных отечественных флюгерных датчиков аэродинамических углов составляет 0,4…2°, а зарубежных (по рекламным данным) – 0,1…0,25° [1]. Низкая чувствительность преобразования флюгерных датчиков ограничивает их применение минимальной скоростью полёта 150…250 км/ч. Основным недостатком таких датчиков, кроме больших габаритов и массы, является наличие механической преобразующей системы, которая состоит из зубчатых зацеплений, подшипников и др. [2]. Подобные узлы снижают надёжность датчиков при механических воздействиях, возникновении резонансных явлений при колебаниях летательных аппаратов и приводят к значительным динамическим погрешностям.
В данной статье предложено использовать волоконно-оптический принцип преобразования, позволяющий отказаться от механической системы с подвижными элементами [3]. Для снижения погрешности волоконно-оптических датчиков аэродинамических углов (ВОДАУ) необходимо реализовать дифференциальную схему преобразования оптического сигнала в зоне восприятия измеряемой физической величины [4].
В дифференциальных волоконно-оптических преобразователях угловых перемещений (ВОПУП) отражательного типа модулирующим элементом (МЭ) является металлическая пластина с двумя зеркальными поверхностями. С двух сторон МЭ расположены оптические волокна первого и второго измерительных каналов (ИК), причём подводящие оптические волокна (ПОВ1) первого ИК расположены соосно с отводящими оптическими волокнами (ООВ2) второго ИК, и наоборот, ПОВ2 второго ИК расположены соосно с ООВ1 первого ИК [4]. Особенностью дифференциального ВОПУП является то, что ПОВ1 и ПОВ2 подстыковываются к одному и тому же источнику излучения (ИИ). Появление силы, вектор которой перпендикулярен плоскости МЭ, приводит к смещению пластины на угол a относительно первоначального положения, и тем самым, к изменению потока излучения, попадающего в приёмные торцы отводящих волокон.
В работе [4] определены функции преобразования первого и второго ИК. Электрические сигналы на выходе приёмников излучения первого и второго ИК (ПИ1 и ПИ2) пропорциональны интенсивности поступающих на них световых потоков. Для повышения точности обработки сигнала с дифференциального ВОПУП целесообразно формировать отношение разности сигналов на выходе каналов к их сумме.
В этом случае наблюдается удвоение чувствительности преобразования, снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов оптических волокон, изменения мощности излучения источника излучения и чувствительности ПИ, так как данные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в каналах, которые не влекут изменения отношения сигналов.
Дальнейшие исследования привели к введению в оптическую систему ВОПУП механической преобразующей системы, не содержащей взаимно перемещающихся узлов типа «зубчатая передача». Вместо них может быть использован сильфон, жёстко соединённый с платформой, на которую действует некоторая сила F, на расстоянии L относительно оси ВОПУП, на которой расположен МЭ (см. рис. 1).
На рисунке 2 показан общий вид одного из вариантов ВОДАУ на основе дифференциального ВОПУП. Датчик монтируется на корпусе 4, где установлено основание 1 с жёстко закреплённым в нём рабочим торцом волоконно-оптического кабеля (ВОК) 9. Здесь же предусмотрена державка с сильфоном 2 и закреплённым МЭ в виде металлической пластины 3, имеющей две зеркально отражающие поверхности и платформу 5, жёстко соединенную с державкой 2. В горизонтальные отверстия основания 1 установлены соосно относительно друг друга со стороны отражающих поверхностей МЭ рабочие торцы ВОК первого и второго ИК. Наконечники 6 с оптическими волокнами фиксируются винтами 6 и 12 в основании 1 после выполнения процедуры юстировки.
Воспринимающий элемент (ВЭ) (на рисунке не показан) установлен на платформе 5 на расстоянии L относительно оптической оси датчика. Под воздействием воздушного потока, ВЭ создает крутящий момент М = L × F, где F – сила, с которой элемент действует на платформу 5. При этом платформа 5 поворачивается на угол a относительно горизонтального положения, сжимая сильфон с одной стороны; соответственно, на данный угол перемещается пластина 3 относительно торцов ВОК. Дальнейшие преобразования связаны с преобразованием оптических сигналов в ВОПУП, как показано выше.
На рисунке 3 приведены графики зависимости тока фотодиодов от углов отклонения МЭ первого и второго каналов I1 = f1(a) и I2 = f2(a), полученные в процессе реальной юстировки и оптической регулировки дифференциального ВОПУП.
Предложенная конструкция ВОДАУ может быть легко приспособлена для измерения других физических величин – деформации, расхода жидкости и газа, силы или давления.
Литература
- Живетин В.Б. Аэромеханический контроль (элементы теории и эксперимента). Казанское математическое общество. 2000.
- Клюев Г.И., Макаров Н.Н., Солдаткин В.М. Авиационные приборы и системы: учебное пособие п/ред. В.А. Мишина. УлГУ. 2000.
- Юрова О.В., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г., Серебряков Д.И. Волоконно-оптический преобразователь углового перемещения. Патент № 2419765 от 27.05.2011 г.
- Бадеева Е.А., Юрова О.В., Щевелев А.С. и др. Дифференциальный ВОПУП. Современная электроника. № 8. 2010.
© 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!
